книги из ГПНТБ / Кравченко, Петр Ефимович. Усталостная прочность учебное пособие

зарождения усталостной трещины; 3) подвержены дей­ ствию окружающей среды, которая может снижать их выносливость.

Кроме того, зерна этих слоев являются внешними, чем облегчается появление в них сдвигов; последние в

нального напряжения, от характера распределения действующих напряжений по сечению и от величины коэффициента концентрации напряжений (§ 10).

На рис. 16, а дана схема возможного вида поверхности уста­ лостного излома при циклическом растяжении-сжатии с высокими

ческого разрушения меньше, а линия фронта становится более по­

логой (см. рис. 16,6).

На рис. 17 дана схема усталостного излома при двустороннем изгибе: на рис. 17, а — при высоких номинальных напряжениях, когда усталостная трещина образуется с двух сторон и глубина ее проникновения с обеих сторон примерно одинакова; на рис. 17, б — при умеренных номинальных напряжениях, когда один очаг обра­ зуется раньше другого, а поэтому глубина проникновения трещины

различна.

На рис. 18 приведена схема усталостного излома вала с круго­

вой выточкой (концентратором напряжений) при симметричном из­ гибе. Здесь характерной особенностью линии фронта является боль­ шая скорость передвижения усталостной трещины на флангах. По-

34

этому уже при небольшой глубине проникновения линия фронта становится выпуклой по отношению к очагу А.

Следы линии фронта на усталостном изломе появляются вслед­ ствие остановки распространения усталостной трещины. Чаще всего такие остановки возможны при умеренных номинальных напряже­

Д

ниях, когда трещина встречает на своем пути более прочные объёмы металла и распространение ее прекращается.

Если напряжение в детали было значительно больше предела вы­ носливости, то таких остановок почти не наблюдается. Они могут появиться только вследствие прекращения работы машины или из­ менения напряжения, испытываемого деталью. И если последнее окажется в 2—2,5 раза меньше, чем напряжения, которые вызвали образование трещины и ее первоначальное развитие, то рост тре­ щины вообще прекращается [5].

Естественно, что характерные зоны на поверхности усталостного излома и следы линии фронта усталостной трещины на этом изломе можно наблюдать только вско­ ре после разрушения. С течением времени поверхность излома окисляется, чем исключается возможность тако­

го наблюдения. Более того, окисление зоны усталостно:

го разрушения возможно уже в процессе работы де­ тали, до разрушения.

§ 8. ТЕОРИИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ

Объяснением особенностей усталостного разрушения (§ 6) еще не решается вопрос об истинной природе тех

физических изменений, которые происходят внутри ме­ талла при его циклическом нагружении и вызывают усталостное разрушение.

Для решения этого вопроса надо проникнуть в глубь металла, изучить внутренний механизм явления уста­ лости, который еще недостаточно изучен.

Отсутствие правильного понимания процесса «уста­ вания» металла является главной причиной, затрудняю­ щей решение вопросов усталостной прочности и приво­ дящей к различному истолкованию этого процесса.

Из значительного количества теорий усталостного разрушения, предложенных до настоящего времени,

наиболее полно освещает поведение материала при пе­

ременных нагружениях теория Н. Н. Афанасьева [6]. Научное и широко доступное истолкование этой тео­

рии дается в работе [7] и кратко излагается ниже.

Для наблюдения за процессом усталостного разру­ шения Н. Н. Афанасьев сконструировал небольшую

усталостную машину, которая устанавливалась на сто­ лике металломикроскопа.

Поверхность испытуемого образца предварительно полировалась и протравливалась (как шлиф для микро­ скопического исследования). Затем образец устанавли­ вался на машину и подвергался переменному изгибу в одной плоскости.

В процессе нагружения образца велись наблюдения за его поверхностью с помощью микроскопа.

Эти наблюдения показали следующее.

После первых нескольких тысяч циклов в отдель­ ных зернах появляются такие же линии сдвигов (усту­ пы), как и при однократном пластическом растяжении. Постепенно число этих линий увеличивается, а ширина их растет, пока в некоторый момент одна из них (иду­ щая обычно от поверхности) или несколько не обратят­ ся в микротрещину Т (рис. 19).

Первым признаком превращения линии сдвигов в трещину служит образование у конца ее густой системы линий сдвигов, напоминающих по форме корневище (см. рис. 19). Образование корневища закономерно, так как в конце образовавшейся трещины имеет место кон­ центрация напряжений, которая и обусловливает интен­ сивное сдвигообразование и дальнейший рост трещины.

Впроцессе этого роста, продолжающегося длитель­ ное время, микротрещина превращается в макротрещи­ ну, приводящую к усталостному разрушению.

Визложенном остается неясной следующая подробность. Обыч­

но под статическим пределом упругости мы понимаем такое наи­ большее напряжение, при котором материал еще испытывает лишь обратимые деформации. Поэтому естественно было бы ожидать, что

36

необратимые сдвиги, обусловливающие зарождение усталостной микротрещины, должны появиться лишь при напряжениях, больших предела упругости. Однако опыт показывает, что для большинства металлов предел выносливости ниже предела упругости. Почему же линии сдвигов, являющиеся первопричиной усталостной микротре­ щины, появляются и при напряжениях, меньших предела упруго­

сти?

Ответ на этот вопрос следует искать в неоднородности мелко­

кристаллического металла. Состоя из множества кристаллических,

уничтожены при сжатии. Однако при сжатии могут возникнуть но­

вые сдвиги, уничтожаемые при растяжении, и т. д.

Сначала эти сдвиги могут быть не видны в микроскоп но по мере их повторения они постепенно обнаруживаются потому что сопровождаются разрушением, своего рода перемалыванием кри­ сталлов по трущимся друг о друга поверхностям.

Можно думать, что кристалл разбивается на множество мелких обломков и осколков, которые частично поворачиваются и смеща­ ются, ослабляя тем самым прочность кристалла.

По мере увеличения числа нагружений этот беспорядок в строе­ нии кристаллов все увеличивается и, наконец, приводит их в такое состояние, когда они перестают выдерживать существующие напря­ жения. Только в этот момент начинается образование трещины, а всякая трещина, как только она образовалась, внедряется в массу металла.

Следует, однако, помнить, что разрушению, перемалыванию

кристаллов подвержена отнюдь не вся масса металла. Первые ли­ нии сдвигов действительно появляются в разных местах и по всей

поверхности образца, но дальнейшее развитие их вскоре останав­

прерывно множатся, растут и, наконец, сливаются в микротрещину.

Следовательно, «уставание» металла связано с по-

втооением пластической деформации лишь в отдельных слабых зернах и с исчерпанием прочности лишь в этих

зернах.

37

Чем меньше таких зерен, чем однороднее металл, тем меньше вероятность зарождения микротрещины и тем больше выносливость металла.

Очевидно также, что разрыхление и перемалывание

положения теории вероят­

ности, исходя из которых наиболее правдоподобно объ­ ясняются влияние масштабного фактора на выносли­ вость (§ 10, пункт «б») и другие закономерности явле­ ния усталости.

Так, теория Афанасьева хорошо объясняет тот обще­ известный факт, что с ростом среднего растягивающего

напряжения цикла предельная амплитуда напряжений, выдерживаемых металлом, понижается, а при увеличе­ нии средних сжимающих напряжений, наоборот, — по­ вышается.

Это различие находит свое объяснение в неодинако­ вом распределении напряжений по зернам металла при растяжении и при сжатии. При растяжении металла на­ ходящиеся в нем поры и неметаллические включения на­ грузки на зерна не передают. Более того, раскрываясь при нагружении, они создают концентрацию напряже­ ний.

При сжатии все надрезы, закрываются и посредством

контакта по их поверхности передают действующую на­ грузку. Поэтому при сжатии зерна металла окажутся

38

Глава III

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЕЛИЧИНУ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ

ПРИ СИММЕТРИЧНЫХ ЦИКЛАХ

Выносливость гладкого образца, имеющего диаметр порядка 10 мм и испытанного в обычных лабораторных условиях, нельзя отождествлять с выносливостью де­ тали, заданных конфигурации и размеров и работаю­

щей в реальных условиях нагружения.

Недопустимость такого отождествления обусловлена тем, что выносливость является функцией ряда факто­

ров, сказывающихся на ее величине и обычно не учи­

расчетах деталей на выносливость, и 2) группу факто­ ров, влияние которых на выносливость достаточно ве­ лико и поэтому должно отражаться в расчетах.

§ 9. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ, НЕ УЧИТЫВАЕМЫХ В РАСЧЕТАХ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

К числу факторов, обычно не учитываемых в расче­ тах на выносливость, можно отнести следующие: форму кривой изменения напряжений и частоту изменения на­ пряжений, объемный наклеп и перенапряжения, паузы при испытаниях, температуру испытаний и направление волокон детали.

а) Зависимость величины предела выносливости от формы кривой и частоты изменения напряжений

Закон изменения переменного напряжения во време­

ни может быть весьма разнообразным. В большинстве случаев при исследованиях на выносливость прини­ мается синусоидальный закон изменения напряжений,

40