
книги / Усталость металлов
..pdfFatigue of Metals
by
P G. FORREST, B.Sc.(Eng.), Ph.D A.M.I.Mech.E.
Principal Scientific Officer, Metallurgy Division
National Physical Laboratory, Teddington, Middlesex
P E R G A M O N P R E S S
OXFORD LONDON • NEW YORK • PARIS
1962
УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ
П. ФОРРЕСТ
Перевод с английского
П о д р е д а к ц и е й академика АН УССР С. В. СЕРЕНСЕНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО « М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е » М о с к в а 1968
УДК 621 : 339.431
Усталость металлов. П. Ф о р р е с т . Перевод с англ, под ред. академика АН УССР С. В. Серенсена.
М.«Машиностроение». 1968.
Вкниге приведены современные данные об усталости металлов, о влиянии конструктивных и технологических
факторов, повышенных температур и активных сред на сопротивление усталости материалов, деталей машин и конструкций, изложены методы испытаний на усталость. В книгу включены также справочные сведения по уста лостным характеристикам конструкционных металлов и сплавов.
Книга предназначена для работников заводских ла бораторий, инженеров-конструкторов, специалистов по расчетам и испытаниям машин на прочность и научных работников. Она может быть полезна также студентам и преподавателям втузов.
Иллюстраций 148. Таблиц 88. Библиографий 686.
Переводчица канд. техн. наук Т. А. БЕКШ
3- 1 - 4
272— 68

статическую прочность, в то же время сопротивление усталост ному разрушению могло понизиться в 2 раза и более.
Учет концентрации напряжений существенно важен при про ектировании деталей, работающих в условиях переменных нагру
зок, и позволяет сделать детали более |
легкими, безопасными |
в отношении усталостного разрушения. |
на сопротивление уста |
Среди многих факторов, влияющих |
лости, концентраторы напряжения являются наиболее важными, в то же время на сопротивление усталости влияет размер дета лей, относительная величина статических и циклических нагру зок и число циклов нагружения. Кроме того, на сопротивление усталости неблагоприятно действует коррозия, особенно корро зия трения, которая является результатом небольших повторных перемещений двух контактирующих поверхностей.
Усталостные разрушения обычно связаны с многими тысяча ми или миллионами циклов нагружения, но они могут происхо дить и после сотен или даже десятков циклов.
Пружина пушки, например, иногда разрушается от усталости при небольшом числе циклов в результате действия напряжений при выстреле. Такие разрушения обычно сопровождаются зна чительной пластической деформацией и происходят в результате возрастающей деформации.
Характеристика усталостных разрушений
Если на деталь действуют повторные нагрузки достаточной величины, то в конце концов образуется усталостная трещина в высоконапряженной области (обычно на поверхности), которая постепенно распространяется до тех пор, пока не произойдет пол ного разрушения. Поверхности усталостного излома имеют ха рактерный вид. Обычно имеются две или три зоны, которые мо гут быть обнаружены на каждой разрушенной поверхности. Око ло области зарождения трещины, где усталостная трещина распространялась относительно медленно, поверхность часто на поминает полированную, особенно в случае перемены знака на гружения. Во второй, менее гладкой, зоне трещина распростра няется быстрее и поверхность разрушения имеет нерегулярный характер. Третья зона представляет собой поверхность, по кото рой происходит окончательное разрушение, когда сечение на столько уменьшено, что металл разрушается при последнем при ложении нагрузки. Эта зона может иметь либо кристаллическую поверхность, показывающую, что окончательное разрушение но сило хрупкий характер, либо волокнистую, указывающую на то, что окончательное разрушение было вязким.
В разрушившихся деталях, подверженных сжимающей пере менной нагрузке, некоторые детали на поверхностях излома исче зают в результате повторного нажатия этих поверхностей перед окончательным разрушением; поверхности при этом выглядят
6
как полированные. Другой характерной особенностью усталост ного излома является окисление поверхностей в зоне медленного развития трещины. Все эти признаки используют для диагности ки усталостных изломов; для пластичных материалов она не представляет каких либо трудностей, для литых металлов, осо бенно для чугуна иногда трудно различить статический и уста лостный изломы. Аналогичный вопрос возникает в сталях при метккристаллитном изломе, но в этом случае разрушение носит необычный характер.
Изучение поверхностей усталостного излома указывает тоже на характерные условия разрушения при эксплуатации [1, 2]. Например, конхоидальные следы в первой зоне излома соответст вуют стадиям распространения трещин в связи с перегрузками. Некоторые особенности поверхностей излома видны на фотогра фиях типичных усталостных разрушений в эксплуатации (рис. 1—4).
На фиг. 1 приведена поверхность излома вала коробки пере дач автомобиля, здесь легко видеть три зоны разрушения. Пер вая зона охватывает более половины сечения, линии на ней указывают на фронты распространения усталостных трещин. Они зарождались в зоне концентрации от шпоночного паза и распро странялись несимметрично, что характерно для вращающихся валов. Трещина распространяется преимущественно в направле ний, обратном направлению вращения, поэтому можно устано вить, что вал, излом которого показан на рис. 1, вращался по ча совой стрелке.
Вторая зона более быстрого распространения трещины зани мает наибольшую часть оставшегося сечения и имеет характер ную неровную поверхность. Окончательное разрушение носило вязкий характер и произошло по небольшой части сечения, кото рая на фотографии видна справа (темная часть). Относительно небольшая площадь третьей зоны в данном случае указывает на то, что действующие номинальные напряжения были низкими.
Две зоны относительно медленного и быстрого распростране ния трещины хорошо видны на рис. 2, где показана поверхность излома винтовой пружины. Усталостная трещина зародилась от поверхностного дефекта и развивалась сначала по наклонной плоскости, на которой нормальное напряжение было макси мальным, а затем она изменила направление и распространялась по плоскости наибольшего тангенциального напряжения. Темные следы, идущие параллельно направлению распространения тре щины во второй зоне, указывают на наличие нескольких трещин в различных плоскостях, которые соединились в последней ста дии и вызвали полное разрушение.
На рис. 3 показано усталостное разрушение коленчатого вала; трещина распространялась от источника концентрации напряжения в месте сопряжения шеек и щек. Темные линии,
7


параллельные направлению распространения трещины, имеющие ся в первой зоне, показывают, что разрушение началось от не скольких независимых трещин. Это характерно для усталостных разрушений, распространяющихся от областей высокой концен трации напряжения. На коленчатые валы в рабочих условиях действует сочетание изгибающих и крутящих нагрузок, но при веденное разрушение является характерным в основном для из гибающих нагрузок, потому что трещина распространялась при близительно по касательной к поверхности шейки вала. Если кру тящие нагрузки преобладают, то трещины имеют тенденцию рас пространяться вдоль бурта и иногда образуют зубчатую поверх ность [1].
Реже усталостные трещины распространяются от масляного отверстия в шейке вала. Кольцевая пружина, показанная на рис. 4, разрушилась от усталости в двух местах в результате кор розии трения, вызванной трением соседних витков при нагрузке. Коррозия трения вызывает характерное окисление, видное в ниж ней части излома (темная зона).
Пример усталостного разрушения детали из алюминиевого
сплава при испытаниях в лаборатории показан на |
рис. 91, два |
разрушения от коррозионной усталости показаны |
на рис. 100 |
и 101. |
|
Обнаружение усталостных трещин
Всегда есть опасность усталостного разрушения деталей при действии циклических напряжений; поэтому, чтобы избежать разрушений, необходимо наблюдать за образованием трещины. Ясно, что наблюдение будет эффективным, если повреждение об наружится на ранней стадии усталостного процесса, и это обна ружение будет иметь большое значение, если метод позволит установить усталостное повреждение прежде чем произойдет раз рушение. К сожалению, хотя изменения определенных физических свойств могут быть обнаружены в лаборатории перед образова нием трещин, надежных методов, предсказывающих возможное наступление разрушения в рабочих условиях, нет; поэтому в на стоящее время необходимо основываться на обнаружении уста лостных трещин. Однако это тоже вызывает значительные прак тические трудности, так как трещины длиной меньше 6 мм обыч но нельзя обнаружить. Существует много различных методов об наружения трещин, каждый может иметь преимущество для от дельных конкретных случаев. Наиболее пригодными являются следующие методы: магнитный, проникающих веществ, электри ческий и ультразвуковой.
Детальные обзоры методов обнаружения усталостных трещин представлены в работах [3, 4], обзоры в обобщенном виде даны в работах [5, 6].
10
