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

та) наблюдается уменьшение живучести, хотя площадь усталостной трещины в изломе возрастает (рис. 85).

Таким образом, можно констатировать, что закалка повысила предел выносливости, но уменьшила разрыв между появлением трещины и разрушением. Закалка имеет неоспоримые преимущества перед нормализацией, когда достигается значительный выигрыш в пределе вы­ носливости. При сохранении неизменным уровня рабочих напряжений достигается также и выигрыш в скорости роста трещин. По площади же усталостной трещины в из-

181

Ломе не всегда можно судить о том, какова была живу­ честь У Ѵ ж образца или детали.

Динамика роста трещин в образцах с прессовыми по­ садками при напряжениях ниже предела выносливости по излому (табл. 31) приводит к выводу о заторможен-

Числитель — миллионы циклов, знаменатель — проценты.

ном развитии трещин в материале с крупным зерном и повышенной циклической вязкостью. Среднеуглеродистые стали с более крупным зерном обладают не только более высокой циклической вязкостью, но и меньшей чувстви­ тельностью к надрезу, благодаря сглаживанию пика на­ пряжений, возникающего в вершине надреза. Можно считать, что пластинки цементита в перлите являются естественными преградами для роста трещин, хотя эти пластинки находятся в кристаллохимической связи с твердым раствором основной фазы. Такой фактор, как общая пластичность стали без существенного повышения прочности не является определяющим для роста трещин, так как этот показатель у сорбитной структуры выше, чем у феррито-ггерлитной.

182

Обкатывание полностью компенсирует повышенную скорость роста трещин, обусловленную составом или структурой. С целью повышения предела выносливости и одновременного резкого замедления скорости роста тре­ щин целесообразно комбинированное упрочнение метал­ ла термической обработкой и обкатыванием (или другими видами поверхностного пластического деформирования). Закалка повышает механические свойства поверхностно­ го слоя материала, что приводит к более позднему за­ рождению трещин, тогда как обкатывание снижает ско­ рость роста трещин. В итоге повышаются оба предела выносливости: по трещинообразованию и по разрушению.

Наиболее сильные изменения механических свойств сообщает поверхностным слоям, например, высокочастот­ ная закалка, причем в этих слоях наводятся значитель­ ные сжимающие остаточные напряжения. Однако и в этом случае дополнительное упрочнение средствами по­ верхностного пластического деформирования оказывает­ ся весьма полезным. При низком отпуске высокочастот­ ная закалка повышает предел выносливости в местах прессовых посадок в 2,5—4 раза, с повышением темпе­ ратуры отпуска предел выносливости снижается. При по­ верхностном упрочнении более высокие механические свойства исходного материала и повышенное содержание в нем углерода положительно отражаются на общем эф­ фекте упрочнения, устойчивости остаточных напряжений и скорости роста трещин.

При консольном нагружении осей знакопеременным изгибающим моментом, создаваемым при неподвижной оси за счет центробежной силы неуравновешенного гру­ за, вращающегося со скоростью 1000 об/мин [69], ульт­ развуковое дефектоскопирование производили через каждые 106 циклов без остановки испытательной машины, что улучшало условия обнаружения трещин вследствие их раскрытия под нагрузкой. Предел выносливости по трещинообразованию нормализованных, а также упроч­ ненных обкатыванием образцов из осей диаметром 25 мм составил около 90% от предела выносливости по разру­ шению. Упрочнение повысило предел выносливости по начальному трещинообразованию и разрушению на 80%. Предел выносливости по разрушению у обкатанных осей диаметром 184 мм в 2,5 раза выше, чем у неупрочненных. В то же время предел выносливости по трещи-нообразо-

183

ваншо составил у упрочненных натурных осей 62,5% от предела выносливости по разрушению (рис. 86). Оси из стали 40Х (закалка в масле, отпуск при 610—620° С, ох-

гоо(го)

150(15)

100(10)

50(5)

Рис. 8G. Результаты усталостных испытаний осей диаметром 200 мм, запрессованных в ступицы колес:

/ — кривая выносливости по разрушению для осей, упрочненных обка­ тыванием; 2 — к р и в а я выносливости (для тех ж е осей) по образованию трещин, не приводящих к излому; 3 — т о же, что /, для неупрочненных осей

184

При исследовании циклической прочности железнодо­ рожных осей в зоне посадки колеса установлено, что для

сти роста трещин следует учитывать, что в связи с более

высоких напряжениях и потому усталостные трещины в таких образцах распространяются более интенсивно, чем в крупных образцах или деталях. При сравнительно низких предельных напряжениях усталостные трещины в больших образцах продвигаются медленно, часто с ос­ тановками. У крупных образцов скорость роста усталост­ ных трещин заметно снижается с повышением концент­ рации напряжений. При одинаковых амплитудных зна­ чениях циклических напряжений продолжительность

инкубационного периода /Ѵт, как правило, уменьшается по мере роста ширины плоского образца.

Влияние ширины рабочей части образца на распрост­ ранение усталостных трещин, начинающихся от отвер­ стия в центре образца, изучено на листовых алюминие-

l/w

I

OA

о.зу

0,2

вых сплавах Д16АТ и В95 толщиной 3 мм [70]. Ширина

дом электрического импеданса с точностью 0,1 мм. Ис­

растает с увеличением ширины образца и длины трещи­ ны (рис. 89). Следует отметить, что анализ выполнен при одинаковых начальных напряжениях (номинальных) независимо от4 ширины образца.

Влияние ширины образцов из малоуглеродистой ста­ ли на скорость роста усталостных трещин при знакопо­ стоянном циклическом растяжении исследовано в весь­ ма широком диапазоне ад: от 2,5 до 250 мм [71]. Все об­ разцы имели одинаковые острые краевые надрезы глубиной 1 мм. При ширине образцов более 12 мм NT не изменяется (рис. 90), тогда как NK непрерывно растет,

186

так как увеличивается расстояние, которое должна прой­ ти трещина до разрушения образца. Однако за счет уве­ личения скорости роста трещин влияние ширины на NK постепенно уменьшается. Например, при напряжении

• UOOnn /15пГ/пп')

гоопп

степени двухосности. Поэтому естественно ожидать уменьшения скорости роста трещин с увеличением тол­ щины. Чаще всего подтверждается именно последнее предположение, однако есть и экспериментальные дан­ ные, противоречащие этому.

В некоторых работах не обнаружена связь между значениями показателя степени п в формуле роста Трещин

dl/dN » С (Л/О"

и толщиной ооразцов, тогда как в других установлено увеличение скорости роста трещин с уменьшением тол­ щины материала.

Сравнение скоростей роста трещин в образцах тол­ щиной 25,4 и 50,8 мм из высокопрочной Сг—Ni—Mo ста­ ли показало, что линия регрессии для образцов толщи-

і0Ы--о,і

ной 50,8 мм была параллельна полученной для образцов половинной толщины, но лежала ниже. При одинаковых значениях АК скорость роста трещин с увеличением вдвое толщины образцов возросла в ~1,5—2 раза [58].

При испытании на плоский изгиб образцов разного размера и формы установлено [72], что продолжитель­

пропорционально увеличению ширины образца, в то вре­ мя как при одном и том же исходном напряжении число циклов до разрушения мало зависит от ширины образца.

Влияние толщины сечения на скорость роста трещин исследовано на плоских образцах с глубоким щелевидным надрезом толщиной 25 и 50 мм из вакуумированной

188

Ni—Mo—V электростали, подвергнутой термической об­

Рис. 92. Изменение NK в зависимости от К для образцов различной толщины

1800 мин~\ при комнатной температуре позволили уста­ новить [74], что увеличение толщины образцов приво­ дит к снижению скорости роста трещин и увеличению усталостной долговечности. За исключением области весьма высокой начальной интенсивности напряжений требуется значительно большее число циклов для раз­ рушения образцов толщиной 50 мм, чем толщиной 25 мм. В том случае, когда двухосное напряженное со­ стояние изменяется в сторону одноосного, скорость ро­ ста трещин должна возрастать. Это как раз и происхо­ дит при уменьшении толщины образцов (рис. 92).

На плоских образцах из алюминиевого сплава Д16Т толщиной 3 мм при длине рабочей части 125, 725 и 1225 мм и ширине 220 мм с центральным концентра­ тором напряжений в виде отверстия диаметром 5 мм бы­ ло установлено, что длина образцов в указанных широ­ ких пределах при постоянной нагрузке не оказывает

18Ѳ

влияния на их долговечность и скорость распростране­ ния усталостной трещины [70].

Как уже отмечалось, результаты исследования скоро­ сти роста трещин в сильной степени зависят от принятой методики нагружения, т. е. очень важно, проходят ли ис-

о скорости роста трещин в геометрически подобных ли­

цах с шириной от 22,7 до 170,6 мм составляла ~12% от ширины образца; частота испытания 2200 мин~х. Длина трещины устанавливалась с помощью микроскопа при увеличении 20.

Результаты испытаний (рис. 94, табл. 32) позволяют отметить, что длительность инкубационного периода до появления трещины уменьшается с увеличением ширины образцов и абсолютных размеров глубины надреза. При этом скорость роста трещины, наоборот, возрастает. Та­ кое заключение может быть сделано, если рассматривать абсолютный прирост длины трещины и 1Q-3 мм на 109

19А