книги / Циклическая прочность металлов
..pdfЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
§ 34. О Б Щ И Е П О Н Я Т И Я
Машиностроение и строительная промышленность применяют много цветных металлов и сплавов для конструктивных элемен тов, работающих статически, и для элементов, работающих в ус ловиях циклического загружения.
Хотя конструкторы и стремятся все более и более заменять цветные металлы и сплавы на неметаллические пластичные мате риалы, однако применение первых все же остается пока большим. Поэтому вопросы прочности и, в частности, циклической* проч ности цветных металлов и сплавов являются в настоящее время важными и актуальными. Наиболее применимыми в современных машинах и инженерных конструкциях цветными металлами являются алюминий, медь, магний и сплавы на основе этих ме таллов; все они дают сравнительно легкие материалы при доста точной конструктивной прочности их.
Данных о циклической прочности цветных металлов и сплавов имеется весьма недостаточно по двум причинам: 1) различные ис
следования |
одних и тех |
же |
материалов |
дают часто различные |
|
результаты |
в зависимости |
от |
условий |
экспериментирования; |
|
2) многие организации, |
и у |
нас, |
и за рубежом, проводят проч |
ностные исследования цветных металлов и сплавов в специаль ных целях без широкого опубликования результатов.
Следует заметить также, что данных о циклической прочности литых цветных металлов и их сплавов имеется значительно меньше, чем данных о прокатанных цветных металлах и сплавах, и это потому, что для вторых соответствующие основные показатели могут быть экспериментально получены значительно легче и точ нее, чем для первых. Кроме того, в прокатанных цветных метал лах и сплавах локальные дефекты меньше отражаются на общих показателях прочности, чем в литых металлах и сплавах.
Механизм усталостного разрушения цветных металлов и спла вов тоже еще недостаточно изучен, и даже нет единого мнения по этому врпросу. Попытки Юинга и Розенгейна предложить
260
единую теорию в этом направлении, основанную на механизме внутрикристаллитных сдвигов с выходом последних на поверх ность, общей положительной оценки не получили.
Мысль большинства исследователей сводится к тому, что этот механизм различен в зависимости от физических свойств метал лов и их сплавов. Весьма вероятно, что использование дислока ционной теории прочности и пластичности при изучении меха низма усталостного разрушения цветных металлов и сплавов даст авторитетное объяснение этому механизму. Следует заметить также, что характер усталостных изломов образцов, изготовлен ных из цветных металлов и сплавов, особенно литых, бывает раз личный: в некоторых случаях на изломе наблюдаются концентри ческие полосы, в других случаях поверхность излома получается как бы шлифованной. Определение величины предела усталости также часто дает большой разброс даже при одних и тех же усло виях эксперимента.
Экспериментальное изучение циклической прочности цветных металлов и сплавов проводится обычно на тех же машинах, кото рые используются и для изучения стальных образцов; форма образ цов тоже остается такой же. Но база испытаний всегда принимается большей, чем 5 -И 0 •106 циклов; чаще принимают ее в 20 •10е и даже в 50 - 10е и 100*10® циклов, и это потому, что усталостная диа грамма цветных металлов и сплавов обычно пе имеет резко выраженного перелома, показывающего величину предела уста
лости; |
она все время и монотонно имеет некоторый наклон |
||
к оси |
абсцисс. |
Поэтому отсутствие |
излома у образцов при |
5—10*10® циклов |
не гарантирует еще |
дальнейшей нормальной |
|
работы их, как у стальных изделий. |
|
||
При |
изучении |
циклической прочности цветных металлов и |
сплавов приобретает большое значение величина отношения ^ ,
т. е. отношение предела усталости к пределу прочности при растяжении, так как величина предела прочности всех метал лов, в том числе и цветных, определяется с наибольшей точ ностью и обладает наибольшим постоянством, независимо от Условий определения. Поэтому предел усталости цветных ме таллов и сплавов в первом приближении часто оценивают по ве личине этого предела прочности их.
Нельзя также в большинстве случаев без соответствующих Поправок перенести на цветные металлы и сплавы методы (меха нические, термические и термохимические) повышения предела Усталости, применяемые для сталей.
Ниже рассмотрены данные о циклической прочности некото рых цветных металлов и сплавов; при этом имеется в виду, что, Пак указано было, вопросы циклической прочности их изучены Далеко не с тем охватом и топ полнотой, как у сталей, и что имею щиеся данные в этом направлении иногда не согласны между Собой и даже противоречивы.
По распространению на земле алюминий занимает пер вое место среди металлов. Неограниченные сырьевые ресурсы для получения алюминия, благоприятные условия производства и высокие конструкционные свойства этого металла предопреде ляют широкое применение алюминия в машиностроении, авто- и тракторостроении, транспортном машиностроении, судострое нии, в строительстве и в производстве товаров народного потре бления.
Как промышленный материал, алюминий обладает рядом боль
ших достоинств, |
к числу |
которых следует отнести: |
1) малый удельный вес |
и относительно высокую статическую |
|
прочность при |
большой пластичности; |
2)большую антикоррозийную стойкость;
3)возможность легкого получения из него сложных профи лей, особенно методом прессования.
Имеются у алюминия и его сплавов и недостатки, из которых нужно отметить наиболее значительные:
1)сравнительно низкое значение его модуля нормальной упругости;
2)трудность сварки, особенно при применении термически упрочняемых его сплавов;
3)сравнительно низкие показатели циклической прочности, что ограничивает до сих пор применение алюминия в конструк циях, работающих при большом числе циклов повторно-перемен ной нагрузки в условиях тяжелых режимов работы.
Алюминий является основой для получения многих легких сплавов, широко применяемых в настоящее время в разных областях машиностроения и инженерного строительства.
Из этих сплавов наибольшее распространение в технике по лучили такие:
сплавы алюминия с кремнием (4—13% Si), называемые силу
минами, которые имеют повышенную сравнительно с чистым алюминием прочность;
сплавы алюминия с медью (4—14% Си), применяемые обычно для машиностроительных отливок сложных конфигураций;
сплавы алюминия с магнием (0,2—11% Mg), обладающие хо рошими механическими свойствами и антикоррозийной стой костью;
сплавы алюминия с медью и магнием, называемые дюралюминами, которые имеют особенно высокую прочность и хорошо тер мически и механически обрабатываются.
В инженерном строительстве для изготовления несущих кон струкций применяются еще алюминиевые сплавы: АМчб, АВТ1, Д16Т, объемный вес которых почти в 3 раза меньше, чем у стали. Прочность при растяжении этих сплавов превышает прочность стали Ст. 3 соответственно в 1,86; 2,47 и 3,5 раза. В последнее
время в Советском Союзе получены новые алюминиевые сплавы
В92 Я ВУ5 для применения в промышленном строительстве, еще более прочные по сравнению с указанными выше.
Циклическая прочность алюминия и его сплавов по сравнению со всеми остальными цветными металлами наиболее изучена; изучены более или менее не только прочностные свойства алюми
ния и его сплавов, но подвергся изучению и механизм усталост ного разрушения его.
Интересные результаты получил П. Форзит, изучавший этот процесс на чистом алюминии в отожженном и холоднокатаном состояниях и на сплаве его с медью (4%), в стабилизированном и нестабилизированном состояниях [61]. По его представлению механизм усталостного разрушения алюминия (в образцах) за ключается в образовании микроскопических тонких полос сколь жения, около которых образуются пустоты; эти пустоты по мере их умножения и развития соединяются между собой, да вая начало микроскопическим трещинам. Вследствие локальных пагревов под действием внешних циклических воздействий металл
вобласти каждой такой трещины начинает рекристаллизоваться
ииногда выдавливаться наружу в виде мельчайших ступенек. Этот процесс особенно заметно проявляется при высоких темпе ратурах, когда происходит перестарение металла и он выдавли вается в зоны, более мягкие сравнительно с окружающими их
плоскостями.
Предел усталости алюминиевых сплавов бывает различный по величине в зависимости от состава сплава; зависит он и от вида деформации: при циклическом изгибе он всегда несколько выше, чем при циклическом кручении. В табл. 74 приведены ориенти ровочные значения [79] предела усталости разных алюминиевых сплавов в образцах при циклическом изгибе и при циклическом
кручении. |
|
|
|
|
|
|
Таблща и |
|
Значения предела усталости некоторых алюминиевых сплавов |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
со |
е» |
|
|
|
|
|
| | |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
п |
'Т1 ® |
|
|
Название сплаваУ* |
|
чн СО |
|
7 8 |
со |
||
|
|
1* |
|
«оVC |
J 1° |
|||
|
|
|
|
о « |
1 |
н з |
Ъ a |
|
Силумин |
|
|
|
4,5 |
' |
3,6 |
___ |
_, |
|
|
|
— |
|
||||
|
|
• • |
6,0 |
|
5,4 |
|
||
Отпущенный силумин |
|
|
|
|
||||
у-силумин, отпущенный при температуре 150 |
10-12 |
|
— |
25— 28 |
0,4 |
|||
в течение 20 час. |
• • |
V/no’ |
|
|||||
|
|
|
||||||
v-силумин, улучшенный при температуре 510 , |
|
|
_ |
|
|
|||
У в течение 24 час. и |
при температуре |
150 |
10-13 |
26— 32 |
0,4 |
|||
в течение 20 час. • • • • |
|
4,5 |
|
2,5 |
— |
— |
||
Поршневой сплав (14% Си) |
|
9,8 |
|
— |
35,7 |
0,27 |
||
Дюралюмин в состоянии поставки |
|
8,3 |
|
_ |
35,9 |
0,23 |
||
Закаленный дюралюмин |
|
|
0,43 |
|||||
|
7,5 |
|
— |
17,8 |
||||
Отожженный |
» |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 7"
Зависимость показателей прочности дюралюмина (при изгибе) от способов обработки его
|
О) |
|
Режим механической’ и термической |
1 |
о |
обработки образцов |
ft) |
я |
** |
||
to |
я |
«О |
База испыта ний N циклов
N
3
|
ft) |
|
to |
D Я |
J |
чэ |
|
1 |
* |
|
|
Ковка |
. . |
|
|
27,1 |
20 |
10-10е |
8,5 |
0,31 |
|
Нагрев при температуре 505°, закал |
36?0 |
16 |
400 •10е |
9,9 |
0,28 |
|
|||
ка в кипящей воде . . . |
|
|
j |
||||||
Ковка, нагрев при температуре 500° |
|
|
|
|
|
j |
|||
в течение 60 мин., закалка |
в |
хо |
|
|
|
|
|
|
|
лодной воде, нагрев в |
масле |
при |
|
|
|
|
|
i |
|
температуре 150° в течение 60 мин., |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||||
охлаждение на воздухе |
|
. . . . |
33,3 |
27 |
100 •10е |
10,6 |
0,32 |
| |
|
Ковка, нагрев при температуре 500° |
|
|
|
|
|
|
|||
в течение 60 мин., закалка |
в |
хо |
|
|
|
|
|
|
|
лодной воде, нагрев при темпера |
|
25 |
|
14,1 |
|
|
|||
туре 100° в течение 6 дней |
|
|
36,7 |
10 •10е |
0,38 |
|
Согласно данным табл. 74, величина предела усталости алю миниевых сплавов составляет 0,23—0,43 от величины предела прочности их при разрыве; при циклическом растяжении-сжатии
|
|
она имеет |
несколько |
большую |
|||
|
|
величину, |
чем при |
изгибе. |
|||
|
|
Исследования показали, что |
|||||
|
|
влияние на циклическую проч |
|||||
|
|
ность |
алюминиевых |
сплавов |
|||
|
|
всякого |
рода |
надрезов сказы |
|||
|
|
вается |
различно: |
при |
отливке |
||
|
|
изделий в землю |
это |
влияние |
|||
|
|
весьма |
незначительно, |
но при |
|||
|
|
кокильном |
литье |
оно весьма |
|||
Фиг. 121. График зависимости пре |
заметно понижает циклическую |
||||||
прочность. |
|
|
|
|
|||
дела усталости от частоты циклов для |
|
|
|
|
|||
алюминиевого |
сплава R K - 56. |
Рассмотрим еще данные (при |
|||||
о циклической |
прочности при |
близительные) |
о статической и |
||||
изгибе дюралюмина |
[79], пока |
зывающие зависимость ее от режима механической и терми ческой обработки, приведенные в табл. 75.
Интересное в практическом отношении исследование выпол нили А. Р. Баде и П. Грутеннис [61] по вопросу о том, как влияет
частота циклов повторно-переменной нагрузки ^п Qa предел
усталости алюминиевого сплава RK-56; результаты этого ис следования показаны в виде графика на фиг. 121, из которого видно, что с повышением частоты грузовых циклов предел уста лости этого сплава повышается весьма заметно.
По применению в промышленности медь занимает одно и& первых мест среди цветных металлов, так как она обладает ценнейшими свойствами: высокой пластичностью, повышенной антикоррозийной стойкостью, теплопроводностью и электропро водностью. Медь служит основой для получения многих спла вов; сплавы меди с цинком называются латунями, все другие* медные сплавы обычно называются бронзами.
Из латуней, обрабатываемых давлением, в промышленности нашли наибольшее применение: томпак, свинцовая латунь и крем нистая латунь.
Из литейных латуней в промышленности применяются алюми ниевая латунь, марганцевосвинцовая латунь и марганцевожелез ная латунь.
Из бронз в промышленности получили распространениеоловянная бронза, алюминиевая бронза, кремнистая бронза и марганцевая бронза. Распространены также никелевые бронзы, имеющие обычно специальные названия: мельхиор (медь с 18— 20% никеля), константан (медь с 39—41% никеля) и др.
Специальных работ, посвященных циклической прочности медных сплавов, имеется весьма мало.
Втабл. 76 приведены показатели пластичности и твердости,
атакже показатели статической и циклической прочности не которых медных сплавов (латуней и бронз), полученные в ре зультате разных экспериментальных исследований. Так как эти исследования проводились разными людьми и в разных местах,
то база в этих исследованиях была различная — от 2-106 до100 -106 циклов; была различна и механическая и термическая обработка образцов перед испытаниями. Поэтому числовые зна чения показателей прочности и пластичности, приведенные
втабл. 76, нужно рассматривать как ориентировочные; они пока зывают, что циклическая прочность медных сплавов (в образцах)
взначительной степени зависит от термической обработки и от тех нологического режима их изготовления. Наибольшую прочность имеют образцы из латуни с поверхностным наклепом, получен ным при продавливают заготовок через отверстия с последую
щим волочением.
В направлении изучения особенностей усталостного разру шения медных сплавов интересную работу провел Н. Томпсон [61 ], который исследовал поверхности поли- и монокристаллической меди и никеля в процессе их нагружения при частоте 60 000 циклов в минуту. Обнаружив в процессе экспериментов микроско пические полосы скольжения на полированной поверхности об разцов, он произвел вторичную полировку этих образцов; от этогочасть полос скольжения исчезла, но часть осталась и не исчезала при дальнейших повторяющихся полировках. Эти полосы появи лись рано, уже после 5% от общего числа циклов до разрушения;
26S
266
П рочность, |
пластичность и твердость некоторы х медных сплавов |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
<£> |
« |
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
3 |
|
Наименование и состав сплава |
Характер механической и термической |
|
01 |
о |
|
I |
~ |
|
|
|
|
1 |
- |
|
|||
обработки образцов |
|
со |
к |
|
|
|||
|
% |
|
|
|
а ~ |
О |
||
|
в |
X |
тн СО Л О |
|
о |
|||
|
йв |
В |
% 8 |
Ь |
||||
|
•э- |
t>° |
*ьJ вB |
о |
О |
о |
|
|
|
|
|
|
|
а 11 |
|
Медь почти чистая: 99,895% Си |
Продавливание через отверстие, |
от |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
жиг при |
температуре |
520°, |
72 |
22,8 |
7,1 |
0,31 |
|
|
|
|
|
|
|
охлаждение с |
печыо |
|
56 |
|
|
||||
Латунь: |
69,85% Си; |
0,04% Fe; |
Отжиг |
|
|
84 |
85 |
31,2 |
14,2 |
0,45 |
— |
|
|
30,11% Zn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Латунь: |
60,25% Си,- |
0,02% Fe; |
Литье, нагрев при температуре 780°, |
|
|
|
|
|
|
||||
39,61% Zn; 0,02% Pb |
|
продавливание через отверстие |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
при температуре 700°, нагрев при |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
температуре |
540°, травление |
и |
38 |
46,5 |
22,2 |
0,48 |
|
|
|
|
|
|
|
промывка, волочение |
|
48 |
|
|
|||||
Мунц-металл: |
58% Си; |
0,8% Fe; |
Состояние поставки |
|
30 |
31 |
52,5 |
— |
|
19,7 |
0,38 |
||
41,2% Zn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Марганцевая |
бронза: |
56,85% Си; |
Литье |
|
|
33 |
41 |
49,2 |
12,0 |
0,24 |
— |
— |
|
1,5% Fe; |
|
40,9% Zn; |
0,32% Sn; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,20% Mn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Медноникелевый сплав: |
80,03% Си; |
Состояние поставки |
|
4 |
18 |
47,5 |
16,2 |
0,34 |
“ - |
|
|||
0,16% Fe; |
19,43% Ni |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в процессе дальнейшего циклического нагружения они стали удлиняться; после 50% числа циклов до разрушения эти полосы
начали захватывать уже соседние зерна и дали вследствие этого начало усталостным трещинам.
G точки зрения вакансионной теории усталостного разрушения описанное зарождение усталостных трещин в медных сплавах можно объяснить образованием вакансий и их скоплений в рай оне полос скольжения. Эти локальные скопления вакансий вы зывают значительные местные искажения кристаллической ре шетки; металл теряет в этих местах свою структурную однород ность, вследствие чего в процессе дальнейшего циклического за-
гружения зарождаются |
указанные выше усталостные трещины. |
§ 37. |
МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ |
Магний — очень легкий металл, имеет малую антикоррозий ную стойкость, а потому в чистом виде не находит распростране ния в технике. Он применяется обычно в качестве основы для производства легких сплавов, из которых наибольшую извести
ность |
получил |
электрон. |
быть алюминий, |
||
В |
этом |
сплаве |
добавками к магнию могут |
||
цинк, |
медь |
и |
пр. |
Пластические и прочностные |
свойства элек |
трона зависят от его химического состава и термообработки; зави сят они также и от вида внешних циклических нагрузок (изгиба или кручения).
Втабл. 77 приведены показатели (ориентировочные) прочности
ипластичности некоторых магниевых сплавов (электронов), полученные разными исследователями [61].
Из табл. 77 видно, что термическая обработка изделий из магниевых сплавов заметно изменяет их пластические свойства, но очень мало влияет на величину предела усталости. Весьма циклически прочными являются электроны с большим количе
ством цинка (вместо алюминия).
Исследованиями обнаружено, что надрезы и литейные корки на изделиях из магниевых сплавов значительно (до 15%) сни жают их циклическую прочность; также снижают ее низкие тем
пературы, от которых |
эти изделия делаются заметно хрупкими. |
§ 38. АНТИФРИКЦИОННЫЕ (МЯГКИЕ) СПЛАВЫ |
|
Сплавы, состоящие |
из пластичного (мягкого) металла как ос |
новы с более или менее равномерно рассеянными в нем твердыми частицами, называются антифрикционными. Они обычно имеют малый коэффициент трения и потому весьма часто применяются, как материал для вкладышей п о д ш и п н и к о в и и м подобных деталей
машин и конструкций.
В качестве п о д ш и п н и к о в ы х сплавов чаще всего применяют баб бит на свинцовой или оловянной основе, затем мягкие алюминие вые сплавы, мягкие бронзы, сплавы цинка и кадмия и т. п.
Влияние разных способов обработки на прочность и пластичность магниевы х сплавов (электрона)
Химический со |
|
°вр |
°всж |
|
T- i |
став электрона |
Способы обработки образцов |
а-1 |
|||
(магниевого |
6 в % в |
в |
в |
||
сплава) |
|
кг /мм2 кг/МмР |
в к г/мм2 |
кг/мм* |
|
8% А); 0,2 Мп |
Литье в песок |
3—7 17—20 31-34 4,2—5,3 |
— |
||
Нагрев при температуре |
8-12 22—25 31—34 4,2—5,3 |
— |
|||
|
420° в течение 16 час. |
Литье в песок Нагрев при температуре
420°, в течение 16 час. 10% А); 0,1 Мп Закалка от температуры 420°, дисперсионное твердение при темпе ратуре 175° в течение
16 час.
1—3 |
15-17сосо |
1 |
5,3-7,1 |
— |
СПсо |
||||
6 -9 |
21—24 34-37 |
6,3-7,1 |
|
1—4 22-25 37—40 5,3—7,1
|
Литье в песок |
4 -8 18—21 |
|
6% А1; 0,2 Мп; |
Закалка от температуры |
||
3% Zn |
'420° |
дисперсионное |
|
твердение при |
темпе |
||
|
ратуре 175° в |
течение |
|
|
16 час. |
|
3—7 26—29 |
1 соСО |
!>-Г |
" |
6,3—7,7
3,8
4% А1; 3% Zn |
Литье в песок |
|
0,25% |
Fe; |
Без обработки |
0,24% |
Si; |
|
0,41% |
Си; |
|
4,38% |
Zn; |
|
А1 следы
4 -9 17—21
18 25,7
— |
сл |
—
сл 1 СП
12,0
5,5
—
При исследовании циклической прочности таких сплавов боль шая трудность (вследствие их мягкости) заключается в невозмож ности изготовить из них нормальные образцы для испытаний на обычных испытательных машинах. Поэтому для этой цели прихо дится или делать образцы такой специальной конструкции, которая позволяла бы испытывать их на существующих обычных машинахг или конструировать для этого специальные испытательные ма шины.
Специальные образцы для исследования циклической проч ности мягких металлов и сплавон на обыкновенных испытатель ных машинах изготовляют чаще всего биметаллическими; форма
268 ^
этих образцов была показана на фиг. 57. При циклических испы таниях таких биметаллических образцов усталостные трещины появляются всегда на поверхности испытываемых сплавов, как имеющих меньшую прочность; изломы происходят в средней частя образцов, где стальной сердечник имеет наименьший диаметр, по величине вообще весьма небольшой. Вследствие этого при под счете напряжений в таких биметаллических образцах влиянием стального сердечника можно пренебрегать и рассматривать об разец как монометаллический.
На фиг. 122 изображена схема установки специально для изучения циклической прочности тонких электролитических по крытий, применяемых в качестве антифрикционных материалов
Фиг. 122. Конструктивная схема установки для цикли ческих испытаний тонких электролитических покрытий (антифрикционных материалов).
[93]. В этой установке двухопорный с консолью плоский моно металлический (из испытываемого материала) образец 4 плотно прижимается к поддерживающему его стальному стержню, который закрепляется внизу с помощью тисков б, а в середине своей длины — с помощью специальных прижимов 7. На верхний копец образца через шток 2 действует циклически изгибающая сила от кривошипно-шатунного механизма 1. К образцу подве дены провода 3 и 5, образующие замкнутую цепь, в которую включен миллиамперметр, чувствительный к появлению даже мельчайших трещин. По этому прибору ведут постоянное наблю дение за образцом в процессе всего испытания. Параметры циклических колебаний образцов на этой машине подбираются
всоответствии с условиями эксперимента.
Спомощью биметаллических образцов была изучена, в част
ности, циклическая прочность баббита марки БТ и сплава СОС 6-6. Результаты этого исследования приведены на фиг. 123 в виде двух усталостных диаграмм, из которых видно, что баббит БТ имеет предел усталости 1,7 кг/мм2, а для сплава СОС 6-6 величина предела усталости равна 1,5 кг/мм2.