книги / Циклическая прочность металлов
..pdfЦ икл ическая прочность железоцинковы х сплавов
Номер железо |
Отношение кон |
Микротвердость |
Число циклов |
Амплитуда |
центрации солей |
||||
цинкового сплава железа и цинка |
в кг/мм2 |
до разрушения |
колебаний |
|
|
в электролите |
|
образца |
образцов в мм |
1 |
0,33 |
65 |
74 880 |
2,5 |
2 |
0,5 |
70 |
97 920 |
2.5 |
3 |
0,66 |
73 |
123 840 |
2,5 |
4 |
0,77 |
89 |
208 800 |
2,5 |
5 |
1 |
94 |
319 680 |
2,5 |
6 |
1,16 |
102 |
305 280 |
2,5 |
7 |
1,33 |
104 |
181 440 |
2,5 |
8 |
1,5 |
123 |
5 760 |
2,5 |
9 |
1,66 |
138 |
2880 |
2,5 |
Отношение — у обоих этих материалов получилось при-
Од
близительно одинаковое, равное 0,25; поэтому циклическую проч
|
|
ность |
|
в |
первом |
|
приближении |
|||||
|
|
можно оценивать по |
их |
пределу |
||||||||
|
|
прочности. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
На |
описанной выше установке |
|||||||||
|
|
была |
исследована, |
в |
частности, |
|||||||
|
|
циклическая прочность |
антифрик |
|||||||||
|
|
ционных |
железоцинковых |
покры |
||||||||
|
|
тий, |
полученных |
при |
различных |
|||||||
|
|
отношениях концентраций |
основ |
|||||||||
|
|
ных солей их в электролите. |
||||||||||
|
|
Результаты этого исследования |
||||||||||
фиг. 123. Диаграммы усталости в |
приведены в табл. 78, в которой |
|||||||||||
каждое |
число |
циклов |
до разру |
|||||||||
координатах а, N для некоторых |
||||||||||||
антифрикционных |
сплавов: |
шения |
образца |
получено |
как |
|||||||
1 — для баббита марки |
БТ; 2 — для |
среднее |
из трех |
измерений. |
|
|||||||
сплава С ОС 6-6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
В |
|
заключение |
|
необходимо |
||||||
|
|
отметить, |
что |
с развитием различ |
ных отраслей современной техники потребности в цветных метал лах и сплавах непрерывно увеличиваются. Машиностроение* химическая промышленность, энергетика, реактивная техника, радиотехника и др. предъявляют к металлам и их сплавам высо кие требования.
Поэтому наряду с применением известных и (хорошо изучен ных цветных металлов и их сплавов наблюдается также неуклонно возрастающий спрос на новые металлы и сплавы. Кроме
270
указанных выше алюминия, |
магния и меди, нужно отметить |
как особенно перспективные |
в современной и будущей технике |
еще титан и никель.
Титан широко распространен в природе; он и его сплавы имеют малый объемный вес, высокую температуру плавления, высокую статическую прочность, большую устойчивость против коррозии.
Высокими прочностными свойствами и антикоррозийностью отличается также и никель со своими сплавами.
К сожалению, приходится отметить, что изучение цикличе ской прочности этих металлов в настоящее время только еще начинается, и данных в этом направлении в соответствующей литературе пока 'почти не имеется.
УДАРНАЯ И УДАРНО-ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ
§ 39. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
Всякая нагрузка на конструкцию называется ударной тогда, когда она прикладывается весьма быстро и со скоростью, изменяю щейся от наибольшего своего значения до нул:я в очень короткий промежуток времени.
Под действием ударной нагрузки в поведении конструкций и их материалов наблюдаются особенности, которые отсутствуют при статической работе конструкций. Укажем на некоторые из этих особенностей.
1.Упругая конструкция под действием всякой ударной на грузки приходит в колебательное движение, которое постепенно затухает вследствие сопротивления воздуха, внутреннего трения между частицами материала и т. д.
2.В сопротивлении ударной нагрузке принимает участие иногда не весь материал конструкции, а только часть его в районе места удара; это бывает тогда, когда при очень кратковременном ударе с большой скоростью упругая деформация не успевает распространиться по всей конструкции, например при ударе пули от выстрела и т. п.
Напряжения, возникающие в конструкции тотчас же после приложения ударной (неразрушающей) нагрузки, значительно больше тех напряжений, которые возникают в дальнейшем при статическом уже действии этой нагрузки. Эти наибольшие напря жения иногда называют ударными напряжениями. В связи с этим
идеформации при ударе должны быть также значительно больше соответствующих статических деформаций.
Механические свойства каждого металла, определяющие его ударную прочность, могут изменяться в довольно широких преде лах в зависимости от факторов, связанных как с природой металла и условиями его обработки, так и с условиями его эксплуатации (в конструкциях). Исследование механических сройств металлов при ударных нагрузках должпо заключаться в изучении картины их разрушения, а также в изучении тех закономерностей, по ко-
торым изменяются показатели прочности и пластичности. Г1РИ этом изучении нужно различать два случая действия ударной нагрузки: 1) случай однократного приложения ударной нагрузки к конструкции, прочность материала которой в этом случае называют ударной прочностью, и 2) случай неограниченно много кратного, более или менее ритмического действия ударной на грузки на конструкцию; прочность материала ее в этом случае называют ударно-циклической прочностью; напряжения возни кающие в этом случае в материале, называют ударно-циклическйми напряжениями.
§ 40. УДАРНАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ
Общепринятым способом экспериментального изучения по ведения металлов при однократной ударной нагрузке является испытание вплоть до разрушения изгибающей нагрузкой стан дартных образцов, надрезанных посредине своей длины. Испы тания эти проводятся на специальных испытательных машинах, называемых копрами, и носят название ударной пробы.
При таких испытаниях определяют количество работы дефор мации, поглощаемой при ударе изучаемым металлом. Эту работу относят к единице площади наименьшего поперечного сечения образца (в изломе) и называют ударной вязкостью металла
Як |
^к кгм/см2. |
|
Fmin |
Кроме испытаний на ударный изгиб, применяют также испы тания на ударные растяжение, кручение и другие виды деформа ций.
Основное преимущество испытаний ударной изгибающей на грузкой перед другими способами механических испытаний за ключается в высокой чувствительности металлов к изменениям их структуры и к скрытым порокам, которые другими спосо бами выявить или совсем нельзя, или можно только в весьма
слабой степени.
Надрезываются образцы с целью лучшего выявления степени сопротивляемости испытываемого металла ударной нагрузке, так как у дна надрезов происходит концентрация напряжений, материал там находится в сложном напряженном состоянии и дает всегда более или менее четкую картину хрупкого разруше ния; надрез как бы сосредоточивает всю деформацию, поглощаю щую энергию удара, в небольшом объеме.
Чем выше ударная вязкость металла, тем лучше его сопроти
вляемость |
ударным |
нагрузкам. |
Нормами устанавливаются для |
|
металлов |
(сталей) |
предельно |
наименьшие значения |
ударной |
вязкости, |
например: |
|
ак > 6 — 8 |
в кгм/см |
для котельной стали |
|
|||
для мостовой стали |
|
8-^10 и т. Д* |
||
жQ |
45. |
|
|
273 |
1о Заказ |
|
|
|
Большой недостаток ударной вязкости, как характерИСтики прочности металлов заключается в том, что эту характеристику нельзя использовать при определении размеров Конструкций в процессе проектирования последних; в то же время она (ударная вязкость) не дает и достаточных данных для полного выявления закономерностей пластичности металлов При удар ных нагрузках. Поэтому в последнее время были Предложены новые характеристики ударной прочности металлов, тцк называе
мые деформационные характеристики.
За деформационные характеристики ударной прочности ме таллов, которые можно получать при однократных ударных испы
(X |
|
|
|
|
|
таниях |
изгибающей нагрузкой, |
|||||||
|
20 |
|
|
|
принимают: прогиб испытывае |
|||||||||
100 |
|
|
|
|
мого |
образца, |
угол |
загиба, |
||||||
75 |
|
15 |
|
|
J L |
искажение поперечного сечения, |
||||||||
|
|
|
/у |
|||||||||||
50 |
- |
10 |
|
|
|
деформацию |
крайнего растяну |
|||||||
|
|
|
того |
волокна и |
величину де |
|||||||||
25 |
- |
5 |
|
|
|
формированного объема |
метал |
|||||||
|
|
J |
& |
|
ла, |
т. |
|
е. |
величину |
объема |
||||
|
|
L |
10 |
15 20 25 JU А кап |
образца, |
втянутого |
в |
пласти |
||||||
|
|
О 0 '5 |
||||||||||||
|
|
|
|
Работа деформации |
ческую |
деформацию его. |
||||||||
Фиг. |
124. Графики изменений дефор |
Эти характеристики являют |
||||||||||||
ся |
показателями |
пластичности |
||||||||||||
мационных |
характеристик металлов |
|||||||||||||
металлов, но они в своем количе |
||||||||||||||
|
|
|
|
при |
ударе. |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
ственном |
измерении |
позволяют |
иметь суждение также и об ударной прочности последних. Из всех них наиболее ценными и наиболее просто определимыми при удар ных испытаниях являются две первые, а именно: прогиб об разца (/) и остаточный угол (а) загиба его. Определение этих характеристик можно выполнять на тех же испытательных маши нах (копрах), на которых определяется и ударная вязкость, только
образцы следует применять ненадрезаниые.
Опыты (пока недостаточно многочисленные) показывают, что эти две деформационные характеристики для одного и того же металла изменяются почти одинаково и почти пропорционально работе ударной деформации; графики f = Fi(A) и а° = F(A)
на фиг. 124 подтверждают это положение.
Графики зависимости стрелы прогиба и угла загиба образца от работы деформации пересекаются с осью абсцисс в одной и той же точке (O'), не совпадающей с началом координат; числовое значение отрезка 00' пропорционально работе упругой деформа ции удара в момент появления заметных пластических деформа ций, соответствующих наступлению предела текучести материала. Следовательно, определение динамического усилия при насту плении предела текучести испытываемого металла можно с боль шой точностью сделать путем измерения длины отрезка 00'
Для суждения о механических свойствах кажд9го металла зна чительный интерес представляет, как Известно, его диаграмма
деформации. При статическом загружении эта диаграмма под назва нием диаграммы растяжения, или диаграммы сжатия, записы вается испытательной Машиной автоматически. При ударпом испытании автоматическую диаграмму получить нельзя вслед ствие большой инерционности применяемой аппаратуры; поэтому для построения диаграммы ударной деформации использу*от приближенный способ, основанный на многократном (серийном) измерении как запасенной образцами работы, так и деформацион ных характеристик испытываемого материала. На фиг. 125 поКа“ зана построенная таким способом диаграмма растягивающего удара при испытании образцов из мягкой углеродистой стали.
Фиг. 125. Диаграммы статического и ударного
(однократного) растяжений |
образцов |
из мягкой |
стали: |
|
|
1 — статическое растяжение; 2 |
— ударное* |
растяжение. |
Она на всем своем протяжении лежит выше диаграммы статиче ского растяжения; при этом наиболее резко (до 60%) повышается предел текучести; предел прочности тоже повышается, но в мень шей степени; характерно также смещение наибольшей силовой координаты в сторону начала диаграммы; коэффициент (т|) пол ноты диаграммы ударной деформации выше аналогичного коэф фициента диаграммы статической деформации и близок обычно
к единице; поэтому диаграмму ударной деформации иногда при |
|
ближенно |
считают прямой линией, параллельной оси абсцисс, |
и тогда среднее ударное усилие будет мало отличаться по величине |
|
от наибольшего ударного усилия. Именно это обстоятельство и |
|
позволяет среднее усилие (Рср) ударной деформации принимать |
|
за предел ударной прочности металла; эта характеристика весьма |
|
просто определяется при ударных испытаниях образцов, дове |
|
денных до |
разрушения, и принимается равной |
для высокопластичных материалов |
(при ц-0,95) |
Рср = Q дс*}?' » |
|
для малойластичных высокопрочных |
материалов |
п |
полн — А у п Р у г |
Рср — |
~б |
Возвращаясь к ударной вязкости как характеристике проч- ности металлов, следует сказать, что величина ее уменьшается
с понижением температуры, и наоборот; иногда уменьшение удар ной вязкости металла со снижением температуры вызывает хлад ноломкость его и ведет к разрушению конструкции. Поэтому для оценки способности каждого металла противостоять ударным на грузкам важно установить так называемую критическую темпе ратуру этого металла, при которой и ниже которой происходит резкое падение величины его ударной вязкости. Эта критическая
температура устанавливает ся обычно по получаемому экспериментально графику
|
|
|
|
|
|
|
|
Лк — f (t°), |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
разновидности |
которого при |
||||
|
|
|
|
|
|
|
ведены на |
фиг. |
126. Как |
|||
|
|
|
|
|
|
|
видно, у некоторых |
металлов |
||||
|
|
|
|
|
|
|
высокое |
значение |
ударной |
|||
-200 |
-120 |
-40 |
О |
+40 |
+120 г |
вязкости |
при |
комнатной |
||||
Фиг. 126. Графики для установления |
температуре |
|
не |
является |
||||||||
критической |
температуры |
при |
ударе |
гарантией |
хорошей |
сопро |
||||||
1 — при |
|
металлов: |
|
|
тивляемости |
их ударным на |
||||||
статическом |
растяжении; 2 — при |
грузкам при пониженных тем |
||||||||||
ударном |
растяжении (гладкие |
образцы); 3 — |
||||||||||
при ударном |
изгибе |
(надрезанные образцы). |
пературах; при |
этих |
темпе |
|||||||
как бы не хватает |
вязкости, |
|
ратурах |
у |
таких |
металлов |
||||||
а потому применять |
их |
в |
таких |
|||||||||
условиях |
службы нельзя. |
|
|
|
|
|
|
|
Сплавы из цветных металлов не имеют критических темпера тур; их ударная вязкость в широком диапазоне температур из меняется весьма незначительно.
§ 41. УДАРНО-ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ
Во многих конструкциях, например, в автоматических меха низмах, в быстроходных двигателях и др., элементы подвер гаются иногда весьма продолжительному действию повторяю щихся ударов.
В этих условиях речь может идти уже об ударно-циклической прочности металлов. Характеристики этой прочности будут, конечно, отличаться от характеристик прочности при обычных циклических нагрузках и должны быть получены при испыта ниях повторными ударами, быстро следующими один за другим.
Специальные исследования ударно-циклической прочности ме таллов следует признать в настоящее время важными еще и по тому, что до сих пор в учении о прочности металлов существует и даже иногда внедряется в практику проектирования неверное представление о том, что процесс ударно-усталостного разру шения металлов при небольшом числе повторных ударов (до 500)
сталей. Заготовки для образцов в этом исследовании были наклепаны кручением; образцы были надрезанные и гладкие и имели размер 10 X 10 х 55 мм. Ударная нагрузка осуществля лась падающим бойком с частотой 93 удара в минуту. База испытаний была 10е циклов.
Марка стали
Ст.З
|
|
|
|
|
|
Таблица 79 |
|
Влияние |
наклепа |
образцов на предел*ударной |
у с та л о с ти |
Пределудар нойустало стив % |
|||
Вид образцов |
Степеньна клепав % |
Энергияуда вракг/см |
Пределудар нойустало стив % |
Маркастали |
Степеньна клепав % |
Энергияуда враm j см |
|
|
|
|
Вид образцов |
|
|
|
|
Гладкие |
_ |
4,9 |
100 I |
Гладкие |
_ |
9,1 |
100 |
» |
20 |
7,0 |
133 |
» |
20 |
12,0 |
132 |
» |
80 |
8,1 |
165 |
» |
65 |
14,5 |
159 |
» |
120 |
8,9 |
182 |
Ст. 5 Надрезан |
— |
2,5 |
— |
Надрезан |
— |
2,2 |
— |
ные |
20 |
1,8 |
— |
ные |
20 |
1,4 |
— |
» |
|||
» |
» |
65 |
2,3 |
— |
|||
» |
80 |
1,9 |
— |
|
|
|
|
» |
120 |
2,0 |
— |
|
|
|
|
Анализируя по этой таблице результаты ударно-циклических испытаний, видим, что в гладких образцах предел ударной уста лости все время повышается с увеличением наклепа до самых больших степеней его; в надрезанных же образцах ударно-цик лическая прочность, как показывают соответствующие исследо вания, не только не повышается от наклепа, но даже несколько снижается.