книги / Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях

Г л а в а 2

РАЗВИТИЕ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛИ И ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА НАГРУЗКИ

§ 1. ИЗГИБ С ВРАЩЕНИЕМ

В последние десятилетия ведутся интенсивные исследова­ ния, связанные с изучением усталостного разрушения и распростра­ нения усталостной трещины в зависимости от различных факторов, определяющих особенности условий работы деталей и элементов конструкций. Полученные результаты обобщены в ряде моногра­ фий [34, 85, 130].

При нестационарных режимах нагружения развитие усталостного разрушения связано с взаимодействием напряжений различных уровней. Возникшая при действии высоких напряжений трещина может распространяться при более низких напряжениях, которые оказываются повреждающими в таких условиях и безопасны для материала, не имеющего трещины. В связи с этим наряду с исследо­ ванием закономерностей усталостного разрушения при постоянной амплитуде напряжений и в условиях нестационарного нагружения представляет значительный интерес выяснение роли низких напряже­ ний в возникновении и распространении усталостных трещин. С этой целью были продолжены ранее выполненные исследования [16, 17, 19] по изучению влияния усталостного повреждения на разрушение стали 45 при изгибе с вращением в зависимости от уров­ ня повреждающего напряжения и эффекта концентрации напряже­ ний. Предварительно исследовались закономерности усталостного разрушения неповрежденной стали в таких же условиях, а также вы­ сокопрочного чугуна с шаровидным графитом для выяснения роли •структурной неоднородности в возникновении и распространении усталостной трещины.

Поскольку наряду с низкими напряжениями в накоплении уста­ лостного повреждения при нестационарном нагружении участвуют и кратковременные перегрузки, анализировалось их повреждающее действие и условия воспроизведения таких перегрузок в испытатель­ ных программах.

Все испытания на усталость при изгибе с вращением проводились на машинах МИП-8М [5], оснащенных стробоскопическим микро-

ТАБЛИЦА 1

скопом и фазосинхронизатором [61] для наблюдения за развитием усталостных трещин в процессе испытания, и на машине МИП-8-2М, предназначенной для последовательной записи развивающихся уста­ лостных трещин на электрохимической бумаге [17, 61]. Благодаря использованию этого оборудования удалось регистрировать появле­ ние на поверхности образца усталостных трещин размером 0,03—0,05 мм и фиксировать их величину в процессе испытания через каждые 300—3000 циклов (в зависимости от уровня напряже­ ния, при котором велось испытание). Конструкция машины МИП-8М обеспечивала возможность наблюдения за ростом усталостной тре­ щины при высоких кратковременно действующих напряжениях благодаря переключению на низкую частоту нагружения в 5 Гц. В таких условиях удавалось проследить за развитием трещины при весьма высоких уровнях напряжения.

При исследовании испытывались образцы диаметром 8 мм и дли­ ной 105 мм двух видов: гладкие корсетного типа с радиусом галтели г перехода от диаметра головок D к диаметру рабочей части d и ■образцы с круговым надрезом (радиус кривизны дна надреза г).

Группы испытываемых на усталость образцов, их основные размеры и теоретические коэффициенты концентрации (<ха) приведены

Рис. 11. Кривые усталости для неповрежденных (а, б) и поврежден­ ных (в, г) образцов:

прочности при растяжении ав, предела текучести ат и относитель­ ного удлинения 05. Сталь 45 была подвергнута нормализации. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом отличался по струк­ туре металлической основы. Более однородным был изотермически закаленный чугун I, применяемый для изготовления ответственных высоконагруженных деталей [14]. Чугун II имел перлитную струк­ туру металлической основы, полученную без термической обработки непосредственно при отливке заготовок для усталостных образцов [49 ].

В дальнейшем на графиках и в таблицах результатов испы­ таний указывается группа образцов в соответствии с табл. 1. Все об­ разцы перед испытанием подвергались полировке.

На рис. 11 приведены кривые усталости исследованных мате­ риалов. Значения пределов выносливости указаны на кривых. Исследование развития усталостного разрушения проводилось при нескольких уровнях напряжений, составляющих 1,1—1,5 предела выносливости.

В связи с тем что при оценке сопротивления материала рас­ пространению усталостной трещины используется ее глубина, ре­ зультаты наблюдения за развитием трещины на поверхности образца по длине необходимо выразить через глубину. Для этого прово­ дилось исследование зависимости между глубиной и длиной уста­ лостной трещины в процессе ее развития для всех типов образцов

из стали и чугуна [48]. Аналогичные данные приводятся в литера­ туре для гладких образцов при изгибе с вращением [124, 164] и для плоских образцов при растяжении, сжатии и изгибе в одной плос­ кости [57, 158].

Наблюдая за развитием усталостной трещины, при достижении ею определенной длины испытание прекращали и зону усталостной трещины подвергали термическому окрашиванию, а затем продолжа­ ли испытание до разрушения образца. По результатам измерения глубины и длины термически окрашенных зон усталостных трещин в образцах, испытанных при данном уровне напряжения, вычисляли корреляционные уравнения зависимости относительной глубины трещины tld от ее относительной длины //яd.

В работе [481 подробно описаны методика и результаты про­

в зависимости от типа образцов и материала. Там же даны значения коэффициента корреляции rVl.

Как видно из данных табл. 3, соотношение между глубиной и длиной усталостной трещины изменяется в зависимости от ее распро­ странения. В образцах с круговым надрезом отношение длины

что позволяло определять зависимость скорости роста трещины от. ее глубины.

Значения характеристик основных стадий развития усталостно­ го разрушения приведены в табл. 4, 5 и 6. В табл. 4 даны величины

предела выносливости для всех групп образцов (база испытания принималась равной Ю7 циклов) и параметры уравнения кривой усталости по началу образования трещины и по разрушению:

где amax — максимальное напряжение в зоне концентрации, опре­ деляемое как осс0; — число циклов до начала образования тре­ щины.

В табл. 5 даны относительные характеристики стадий разруше­ ния а и D, а также средние значения числа циклов до разрушения Nр в зависимости от уровня напряжения.

Величйны глубины трещины t и соответствующих скоростей распространения трещины V в зависимости от уровня напряжения приведены в табл. 6.

Из данных таблиц и графиков развития разрушения видно, что характер этого процесса одинаков у стали и чугунов, однако четко проявляются и особенности разрушения, свойственные этим мате­ риалам: раннее образование трещины и более медленный ее рост у чугунов по сравнению со сталыо.

Чтобы оценить различие в поведении исследованных материалов в начальной стадии усталостного повреждения до образования мак-

щем 1,25 предела выносливости, в зависимости от относительной долговечности, характеризующее различие между сталью и чугуном

Рис. 13. Графики распределения логарифмов долговечности Ig Ni и lgN p (а), отно­ сительной глубины трещины D2 и DD (б), логарифмов скорости роста трещины)

в начале образования трещины. В то время как у стали переход к разрыхлению, определяющий появление усталостной макротрещины, наблюдается при N/Nр > 0,5, у чугуна I этот переход сдвигается до 0,40, а разрыхление чугуна II начинается с первых циклов на.- гружения. Повышение уровня напряжения приводит к более ран­ нему разрыхлению как у стали, так и у чугуна I.

Приведенные в таблицах и на графиках результаты согласуются с описанным изменением микротвердости. При наличии концентра­ ции напряжений различие в развитии разрушения стали и чугунасглаживается и характеристики стадий разрушения этих материалов сближаются, как видно из графиков и таблиц.

Чтобы оценить рассеяние характеристик основных стадий раз­ рушения, использовались значения, полученные для каждого об­ разца, испытанного при данном уровне напряжения. В табл. 8 приве­ дены средние значения характеристик стадий разрушения гладких

На рис. 13 показано распределение значений характеристик стадий разрушения стали и чугуна I, соответствующее нормальному за­ кону.