вреждаемости и разрушения конструкционных материалов и де­ талей машин. Рассмотрено деформирование и усталостное раз­ рушение материалов в связи со структурной неоднородностью их свойств от дислокационного до макроскопического уровня. Реша­ ются технические аспекты проблемы такие, как влияние разных металлургических, технологических и конструкционных факторов на усталостную прочность металлических материалов и конструк­ ций. Показаны сс^ременные направления повышения долговечности и надежности конструкций.

Книга предназначена для научных работников, занимающихся исследованиями в областях физики металлов, прикладного мате­ риаловедения и машиностроения. Она может быть использована студентами вузов и аспирантами соответствующих специальностей. Ил. 87. Табл. 6. Библиогр. список: 260 назв.

сопротивления металлов деформации и разрушению при различных напряженных состояниях IH схемах нагруже­ ния, т. е. в условиях зарождения и роста хрупких тре­ щин. Структурная неоднородность от дислокационного до макроскопического уровня предопределяет механиз­ мы протекания пластической деформации и разрушения, а также конечные статические и динамические свойства металлов и сплавов. Указанные аспекты неразрывно свя­ заны в проблеме усталостного нагружения деталей ма­ шин и конструкций.

В СССР и ЧССР исследования усталостного разруше­ ния конструкционных материалов проводят в различных направлениях, созданы известные научные школы. Пред­ ставляемая монография построена на основе оригиналь­ ных исследований и современных достижений физическо­ го металловедения. На всех этапах статического и цик­ лического нагружений показана связь протекания актов микропластичности на атомном уровне и явления макро­ скопического разрушения в результате накопления уста­ лостной повреждаемости в металлах. Для обсуждения физической природы явлений широко использованы пос­ ледние достижения в области неупругих явлений в твер­ дых телах.

Следует ожидать, что данная монография окажется интересной для специалистов, работающих в области создания и эксплуатации конструкционных материалов,

а также будет способствовать укреплению деловых и дру­ жеских связей между нашими странами.

Директор Института металлургии АН СССР им. А. А. Байкова, член-корр. АН СССР

А. И. Манохин

ВВЕДЕНИЕ

В принятых XXV съездом КПСС Основных направле­ ниях народного хозяйства на 1976—1980 годы преду­ смотрено значительное повышение качества, надежности и ресурсов машин, ооеспечение эффективности их раооты при одновременном существенном снижении металло­ емкости. Для этого необходимы разработки и лримеиение новых методов испытаний, расчетов прочности и ре­ сурса, а также принципиально новых способов их ‘исполь­ зования. Процесс разрушения конструкционных материа­ лов — проолема, в которой сконцентрированы сложней­

бом уровне приложенных рабочих напряжений является локальным по своей природе, что определяется особенно­ стями их кристаллического и металлографического строения. Микропластичность — это явление, отражаю­ щее неоднородность протекания пластической деформа­ ции в отдельных локальных объемах материала. Такое определение микропластичности дано впервые И. Н. Давиденковым. Имеются попытки разделить эффекты пла­ стической деформации на субшжро-, миллимикро-, мик­ ро- и макропластичности и выделить области соответст­ вующих амплитуд напряжений, но они успеха не имели, так как проявление того или иного механизма в микро­ объемах может происходить на общем фоне пластической деформации всего тела в целом. Использование опреде­ ления микропластичности для весьма малых деформаций, при которых наблюдается обратимое движение дислока­ ций, лишено инженерного смысла.

Обеспечение прочности элементов машин и конструк­ ций подразумевает не только возможность повышения внешних нагрузок без получения значительной макропластической деформации, но и устранение при сложном напряженном нагружении преждевременного разруше­ ния за счет уменьшения запаса пластичности металлов. Это неизбежно возникает в условиях, при которых дефор­ мация сосредоточивается в отдельных микрообъемах и релаксация напряжений в смежных объемах затруднена. Пластическая деформация предшествует хрупкому раз­ рушению конструкционных материалов, сильно локали­ зуясь в элементарных объемах она достигает критиче*

оких значении в узкой зоне зарождения и распростране­ ния трещины. Фронт продвижения трещины но мере ее роста может приостанавливаться вследствие релаксации напряжений. Пластическая деформация в вершине тре­ щины притупляет вершину и вводит новые дислокации в зону концентрации напряжений. Прерывистый, дискрет­ ный характер распространения трещин в. сочетании с ак­ тами микропластичности в очаге деформации типичен для многих видов разрушения и прежде всего для про­ цесса усталостного разрушения. Микропластичность, связанная со структурной неоднородностью протекания пластической деформации определяет этот процесс.

Усталость металлов — процесс постепенного накоп­ ления повреждений под действием переменных напряже­ ний или деформаций, приводящий к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. Отличительной осо­ бенностью процесса является локальный характер его протекания. Более 90% всех поломок и катастрофиче­ ских разрушений деталей машин и металлических кон­ струкций в практике их эксплуатации вызваны устало­ стью материалов под действием циклически изменяю­ щихся напряжений, значительно меньших, чем предел прочности или текучести. Впервые измерения усталост­ ных характеристик были проведены в 1852—1870 гг. Ве­ лером не на натурных изделиях, а на лабораторных об­ разцах в специально изготовленных испытательных ма­ шинах. В конце прошлого столетия Баушингер обобщил результаты по влиянию числа циклов на свойства нагру­ женных изделий из стали и чугуна. Практически в то же время Джиллет и Бейрстоу обнаружили связь внутрен­ него рассеяния энергии колебаний в металлах с характе­ ристиками их,1усталостной долговечности.

Последующий этап исследований усталостного разру­ шения характеризуется постепенным накоплением эмпи­ рических знаний о динамической выносливости деталей машин и конструкций в определенных условиях нагру­ жения и поиском соотношения между статическими и циклическими свойствами материалов. При этом уточня­ ли также базу циклов для определения предела вынос­ ливости (усталости). Установление высокой чувствитель­ ности предела усталости к качеству и состоянию поверх­ ностных слоев, а также влияния масштабного фактора на усталость металлов позволило перейти к количественно­ му описанию процесса усталости. Определились способы

повышения усталостной прочности и долговечности за счет упрочняющей обработки поверхностных слоев мзделий и были начаты исследования по количественному описанию накапливаемое™ усталостной повреждаемости при нестационарных условиях работы деталей.

Теория дислокаций явилась основой для изучения фи­ зической природы отдельных этапов процесса усталости. Углубленным исследованиям механизмов этого явления способствовало развитие метода просвечивающей элект­ ронной микроскопии и совершенствование методов физи­ ко-механического анализа свойств материалов. В начале 60-х годов было обнаружено, что скорость распростране­ ния усталостной трещины является однозначной функци­ ей фактора интенсивности напряжений, что позволило по новому сформулировать условия геометрического и си­ лового подобия испытаний. В настоящее время также достаточно ясно, что циклическая пластическая реакция металлов определяется механизмами протекающей мик­ ропластичности в поле действующих переменных напряжений-

Изучение усталостного разрушения современных ма­ шиностроительных материалов проводят по следующим направлениям:

1)теоретическое исследование вибраций конструкций

иnix аппаратное моделирование; создание испытатель­

ных машин, точно воспроизводящих параметры нагруже­ ния конструкций, регистрацию этих параметров и их уп­ равление вычислительными машинами; 2) (исследование долговечности образцов и конструкций при нестацио­ нарных нагружениях в условиях сложного воздействия напряжений и деформаций, а также внешних парамет­ ров; 3) изучение физической природы процесса устало­ сти материалов, кинетаки и динамики накопления уста­ лостных повреждений и разрушения, а также изменения структуры, свойств и микропластической реакции метал­ лов на отдельных этапах повторного нагружения; 4) оп­ ределение критериев сопротивления материалов возник­ новению и распространению усталостных трещин, изуче­ ние механизмов их образования и роста на отдельных этапах процесса; 5) разработка новых конструкционных

икомпозиционных материалов, обеспечивающих надеж­ ность работы ответственных изделий в условиях низких

ивысоких температур, -воздействия агрессивных сред, облучения и других факторов.

Знание закономерностей процесса усталостного раз­ рушения и обоснованный выбор материалов позволят по­ высить рабочие параметры и надежность работы стан­ ков, различных устройств и конструкций, транспортных средств при пониженном расходе металла, потребляемой энергии и т. д.

Опубликовано достаточно большое количество моно­ графий и обзоров по проблемам усталостного разру­ шения. Среди них особое место занимают работы по вы­ явлению деформационных и энергетических критериев сопротивления материалов усталостному разрушению в различных условиях напряженного, температурно-скоро­ стного и внешнего воздействия, учитывающих явление микропластнчности. В СССР такие исследования выпол­ няют научные коллективы под руководством В. С. Ива­ новой, Г. С. Писаренко, В. Т. Трощенко, в Чехослова­ кии —■М. Клеснила, П. Лукаша, Я. Немеца и других из­ вестных ученых. Обеспечение надежности работы ре­ альных металлических конструкций во многом связано с обоснованностью выбранных критериев, учитывающих структурную неоднородность материалов и условия их нагружения. Такие критерии в большинстве случаев свя­ зывают закономерности усталостного разрушения с ха­ рактеристиками микропластичности — циклическими! де­

описывающие зависимость между неупругой деформацией за цикл колебаний и числом циклов до разрушения. В развитие этого подхода было предложено много рас­ четных выражений. В работах М. Клеснила с сотрудни­ ками предложены комплексные показатели реакции ма­ териала на циклическое нагружение по значениям сум­ марной пластической деформации и деформации в пер­ вой половине цикла нагружения. Для рассмотрения проблемы очень важными оказались идеи В. С. Ивано­ вой об универсальной постоянной разрушения и дискрет­ ности усталостного процесса. Эти вопросы в данной ра­ боте рассмотрены подробно.

Изучение особенностей развития микропластнчности при статическом и динамическом нагружении металлов проводят различными методами. Картина неоднородного накопления деформаций в отдельных участках хорошо