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

чаях среднеквадратичное отклонение растет с увеличени­ ем 1 g УѴ, соответствующим снижению уровня действую­ щих напряжений. Рассеяние долговечности до образова­ ния трещин превышает рассеяние по окончательному разрушению, причем эта разница увеличивается с умень­ шением действующих напряжений.

Увеличение абсолютных размеров и изменение асим­ метрии цикла мало влияют на рассеяние средней относи­

вечности при плоском изгибе и при изгибе с вращением уменьшается с возрастанием напряжений. При случай­ ном нагружении за счет действия редких, но интенсив­ ных перегрузок, трещина возникает раньше, чем при программном или гармоническом нагружении. Рассеяние значений логарифма долговечности при случайном и программном нагружении меньше, чем при испыта­

что при плоском изгибе рассеяние значений логарифма долговечности выше, чем при изгибе с вращением.

Характеристика рассеяния периода развития трещи­ ны в определенной степени может служить оценкой ста­ бильности свойств материала, так как при этом уже пе­ рестает действовать такой сильный фактор, как состоя­ ние поверхности.

На величину рассеяния влияет точность определения размера начальной трещины. Разброс величин начальной длины или площади трещины, с момента образования ко­ торой ведут отсчет числа циклов, для плоских образцов

из рельсовой стали исследовано в работе [101]. Испыта­ ния проводили на пяти уровнях напряжений. В процессе испытаний после образования трещины в вершине надре­ за, в последний вводили краску, разведенную на быстро испаряющемся растворителе. На изломе образца по окра­ шенному участку определяли длину и площадь началь­ ной трещины. Коэффициент вариации кривой распределе­

Взаключение отметим следующее.

1.Для периода распространения трещины рассеяние меньше, чем для общей долговечности; это свидетельст­ вует о том, что рассеяние долговечности обусловлено'ста­ дией возникновения трещины, а не ее распространения. Разница в рассеянии отдельных периодов возрастает с уменьшением уровня действующих напряжений.

2.Снижение уровня действующих напряжений приво­ дит к увеличению рассеяния числа циклов до разруше­ ния.

3.Рассеяние долговечности при случайном и про­ граммном нагружении меньше, чем при испытаниях с по­ стоянной амплитудой. При плоском изгибе рассеяние долговечности выше, чем при изгибе с вращением.

ГЛАВА VI

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА СКОРОСТЬ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

1. В Л И Я Н И Е КОНЦЕНТРАЦИИ Н А П Р Я Ж Е Н И Й -

Различные резкие изменения формы и размеров изде­ лий, а также искусственные надрезы на образцах локали­ зуют пластическую деформацию и приводят к концентра­ ции напряжений. Чем меньше радиус основания надреза и угол его раскрытия, тем сильнее локализована дефор­ мация и тем больше концентрация напряжений.

Наиболее острым надрезом является усталостная тре­ щина. Угол раскрытия такой трещины практически равен нулю, а закругление вершины на 2 или 3 порядка мень-

172

ше, чем у самого острого надреза. Однако следует иметь в виду, что трещина существенно отличается от других видов надрезов тем, что ее стенки в полуцикле сжатия практически смыкаются и при симметричном цикле мате­ риал в вершине фактически работает в условиях одно­ значного цикла. Последнее существенно изменяет усло­ вия, определяющие прочность. Форма трещин зависит не только от материала, но и от уровня рабочих напряже­ ний, при которых она получена. Чувствительность к над­ резу зависит от способности материала к перераспределе­ нию напряжений, к их релаксации.

Основное отличиетладких образцов или деталей без концентраторов напряжений от образцов с надрезом, с точки зрения кинетики развития трещин, заключается в том, что наличие дефекта или другого концентратора на­ пряжений резко уменьшает длительность инкубационной стадии возникновения усталостной трещины, в частности, ту ее часть, которая связана с локализацией области на­ копления повреждений. Поэтому при малоцикловой ус­ талости трещины в надрезанных образцах были обнару­ жены уже на ранней стадии при малом числе циклов, т.е. почти вся долговечность образцов определяется длитель­ ностью процесса распространения трещин. С увеличением концентрации напряжений растет относительная доля стадии, длящейся с момента возникновения трещины до разрушения, кроме того возможно возникновение нераз­ вивающихся трещин.

Особенность острых концентраторов напряжений за­ ключается в том, что трещина усталости возникает почти сразу же после приложения нагрузки. Чем острее надрез, тем больше величина отношения времени распростране­ ния трещины к общему сроку службы. Это отношение для острых надрезов превышает 0,9, т. е. в течение почти все­ го срока службы (90%) материал работает с трещиной, что справедливо при любом уровне нагоужения.

Скорость роста трещин в гладких образцах выше, чем в образцах с надрезом. Испытание гладких образцов про­ водят при значительно более высоких напряжениях и по­ тому при появлении трещины эти образцы оказываются в менее выгодном положении, чем образцы с надрезами. Появление трещины в сравнительно высоконапряженных гладких образцах при обычных испытаниях на выносли­ вость быстро приводит к разрушению. Общая закономер-

178

ность более медленного распространения трещин при бо­ лее низком уровне напряжений сказывается и в том, что крупным образцам или деталям соответствуют сравни­ тельно низкие предельные напряжения, но первичная трещина в них распространяется медленно, с остановка­ ми. По наблюдениям некоторых исследователей, разви­ тие трещин усталости у надрезанных образцов при номи­ нальных напряжениях, близких к пределу выносливости, происходит с остановками, длящимися по нескольку мил­ лионов циклов. У крупных образцов скорость роста тре­ щин в галтелях заметно снижается с повышением концен­ трации напряжений.

Число образующихся в галтелях усталостных трещин (очагов их развития) зависит от отношения рабочего на­ пряжения к пределу выносливости. Если это отношение близко к 1,1, то, как правило, наблюдается только одна трещина, но уже при отношении, близком к 1,2, развитие разрушения может идти из множества очагов.

Рассмотрим влияние отдельных параметров геометри­ ческой формы надрезов на возникновение и скорость ро­ ста трещин.

Исследование [671, выполненное на образцах из мяг­ кой стали (0,23% С; 0,45% Мп) шириной 25,4 мм с одно­ сторонним боковым надрезом глубиной 2,5 мм, показало, что уменьшение радиуса надреза р при неизменной его глубине приводит к снижению числа циклов до возникно­ вения трещины NT. Однако это снижение наблюдается только при уменьшении радиуса надреза до 0,25 мм; дальнейшее увеличение остроты надреза не сказывается на длительности инкубационного периода (рис. 79).

Увеличение глубины надреза от 1,3 до 7,6 мм (угол раскрытия и радиус надреза постоянные — 60° и 0,25 мм) приводит к весьма существенному сокращению длитель­

лов до возникновения трещин в ~ 130 раз (с 80000 до 600). При этом не установлено существенного влияния толщи­ ны образцов и их ширины на NT.

Влияние размаха напряжений на N T при различной глубине надреза характеризуется семейством параллель­

ных наклонных прямых (рис. 80), из анализа которых

174

следует, что независимо от величины размаха напряже­ ний увеличение глубины надреза приводит к более ран­ нему возникновению трещин. Увеличение размаха напря­ жений также сокращает

При проведении сравнения влияния различных кон­ центраторов напряжений для материала одной и в осо-

р,мп

Действительно, пределы выносливости различны у раз­ личных материалов. Обычно материалы различаются и по чувствительности к концентрации напряжений, имеют различный наклон левых ветвей кривой выносливости, точки пересечения наклонной и горизонтальной ветвей имеют различные координаты. Поэтому если проводить сравнение при определенном уровне напряженности, ре­ зультаты сравнения могут отличаться, например, от по­

о/о- -! или одинаковой конечной долговечности. Выбор каждого из этих критериев зависит, естественно, от цели исследования. Как уже указывалось, большое количество задач может быть решено при использовании уравнений скорости роста трещин, базирующихся на линейной меха­ нике разрушения;

175

Влияние аа на усталостную прочность, возникновение и развитие трещин в трех марках углеродистой стали в

10 мм с размерами по ГОСТ 2860—65. С возрастанием содержания углерода и марганца в указанном диапазоне

ницы между ними уменьшается (рис. 81,а) . Увеличение а а приводит к существенному снижению пределов вынос­ ливости при увеличении угла наклона левых ветвей кри­ вых выносливости и, как правило, при смещении точки перегиба в сторону меньших чисел циклов. Из рассмотре­ ния графиков изменения NH< в зависимости от а/а_і (рис. 81,6) следует, что между этими величинами имеет­ ся тесная зависимость, которая усиливается с увеличени­ ем а0.

При исследовании влияния весьма малых диаметров отверстий на УѴТ и NK обнаружена аномалия, заслужива­ ющая внимания [68]. На образцах сплава на никелевой основе при пульсирующем растяжении с увеличением

176

диаметра центрального отверстия от 0,18 до 0,51 мм уменьшались значения Nr и Nv, хотя сс0 в образцах с от­ верстиями большего диаметра было несколько ниже. Микроструктурные исследования показали, что зона пла­ стической деформации пропорциональна диаметру отвер­ стия. Поскольку поля напряжений геометрически подоб­ ны, высокие напряжения простираются на больший объ­ ем материала и на большее число зерен вокруг отверстий большего диаметра. При одинаковом размере зерен уменьшается вероятность того, что направления сколь­ жения в зернах, окружающих отверстия небольшого диа­ метра, будут иметь оптимальную ориентацию. Одновре­ менно уменьшается и градиент напряжений у таких от­ верстий. Указанные обстоятельства, по-видимому, сыгра­ ли определенную роль в развитии усталостных процессов, обусловив их различную интенсивность у отверстий с - весьма малыми диаметрами.

2. ВЛИЯНИЕ ПРЕССОВЫХ ПОСАДОК

Резкое изменение условий работы материала, сопро­ вождающее рост трещины и существенно влияющее на скорость этого процесса, наблюдается в прессовых и бол­ товых соединениях, а также при свободной посадке дета­ лей без натяга, т. е. в тех случаях, когда сам принцип соединения обусловливает возможность хотя бы неболь­ ших или частичных перемещений сопрягаемых поверхно­ стей. Типичными узлами конструкций, работающими в таких условиях, являются места напрессовки колес, шки­ вов, муфт и подшипников на валы и оси; рельсовые бол­ товые стыки; многочисленная группа соединений с болто­ вой прйвалкой кронштейнов, упоров и подобных им де­ талей.

На возникновение трещин в указанных условиях ока­ зывают влияние контактные напряжения, касательные силы трения, коррозия трения и электроэрозионные про­ цессы: В то же время условия дальнейшего развития тре­ щин в местах напрессовок сравнимы с условиями разви­ тия трещин в образцах с надрезом, поскольку воздействие трения и коррозии трения после возникновения трещиньі прекращается (в этом одно из отличий от корро- зионно-усталостных испытаний, при которых коррозион*

177

мое воздействие сохраняется и после возникновения тре­ щины) .

Схематически изменение условий прочности в связи с изменением условий работы материала до и после воз­ никновения трещин при разных уровнях напряжений по мере нарастания числа циклов представлено на рис. 82, где А — условия, приводящие к росту трещины и разру­

шению (в момент встречи с кривой выносливо­ сти для образцов с надрезом) ;

В— условия, приводящие к появлению трещины (в момент встречи с кривой коррозионной вынос­ ливости) и дальнейшему торможению или оста­

новке развития последней; С — условия отсутствия трещин.

Указанная схема изменения прочности находит свое подтверждение в анализе механизма и кинетики развития

Nтрещин, развивающихся из новых очагов. Слияние

Рис. 82. Схематическое изменение ус­ трещин приводит к ихловий прочности в связи с изменением

увеличению и прогрессив­ ному росту.

Остановка в развитии трещин в подступичных частях осей объясняется

тем, что значительные касательные напряжения, способ­ ствовавшие возникновению и начальному развитию тре­ щин, затухают в тонком поверхностном слое. Для напря­ женного состояния характерен большой градиент напря­ жений в поверхностной зоне. Указанная особенность напряженного состояния наряду с большим влиянием касательных напряжений приводит к тому, что в началь­

ной стадии развития трещины идут наклонно под углом

70~75о (рисі 83) и лишь на некотором удалении от пѳ-

178

На развитии трещин по сечению, кроме уровня рабо­ чих напряжений, может сказываться расклинивающее действие продуктов износа поверхностного слоя.

Для изучения закономерностей развития трещин под напрессовками был использован ультразвуковой дефек­ тоскоп со специально сконструированным призматичес­ ким излучателем (щупом), скошенным под углом 30°, для направленной передачи в запрессованную часть оси им­

ся. Параллельно уменьшается площадь усталостной тре­ щины в изломе (табл. 29). При одних и тех же напря­

1Числитель — миллионы циклов, знаменатель — проценты.

Сростом ударной вязкости наблюдается увеличение площади усталостной трещины в изломе. Что же касает­ ся живучести, то несмотря на рост ударной вязкости с переходом от отжига (крупнозернистая перлитная струк­ тура) к нормализации (мелкозернистая перлитная струк*

180