книги / Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях

По мере роста усталостной трещины показания датчиков изменялись, что давало возможность определять относительную глубину трещины в зависимости от NINp. Сравнение таких данных с результатами измерений глубины трещины на усталостных изломах коленчатых валов, испытанных при программном нагружении, подтвердило их достоверность.

В табл. 33 приведены характеристики стадий разрушения ука­ занных образцов и деталей при различных уровнях нагружения.

Сравнение этих данных с результатами исследования образцов диаметром 2 2 мм свидетельствует о существенном влиянии абсолют­ ных размеров образцов и деталей и глубины усталостной трещины на скорость ее развития и на зависимость скорости от уровня на­ пряжения.

§ 3. КРУЧЕНИЕ

Исследованию развития усталостного разрушения при растяжении — сжатии и изгибе посвящено много работ [34, 46, 146]. Значительно меньше работ связано с вопросами усталостного разрушения при кручении [25, 155, 165], хотя этот вид нагружения характерен для многих деталей машин, оценка живучести которых имеет важное значение. В связи с этим было исследовано развитие усталостного разрушения при кручении стали 45 и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, широко применяющихся в машино­ строении для изготовления деталей, работающих в условиях пере­ менного кручения. Изучалось влияние структурной неоднородности материала на развитие усталостного разрушения (сталь и высо­ копрочный чугун), влияние концентрации напряжений на образо­ вание и развитие усталостных трещин в этих материалах (гладкие образцы и образцы с круговым надрезом), а также выяснялась роль масштабного фактора (различный диаметр опасного сечения образ­ цов) в развитии разрушения.

Среднеуглеродистая сталь 45 для изготовления образцов была подвергнута нормализации. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом с перлитной (чугун I) и ферритной (чугун II) структурами исследовался в термически необработанном состоянии, чугун с троостоферритной структурой (чугун III) был подвергнут изотермиче­ ской закалке.

Химический состав и основные свойства исследованных матери­ алов приведены в табл. 34.

Для испытаний на усталость использовались гладкие образцы корсетной формы с диаметром опасного сечения 8 и 45 мм и образ­ цы диаметром 8 мм с круговым надрезом. За счет изменения радиуса

кривизны дна надреза г достигалась различная концентрация напря­ жений. Основные размеры образцов показаны в табл. 35.

Испытания на усталость образцов диаметром 8 мм проводились на машинах МКП-8 [61] при частоте 6000 циклов в минуту. Образцы диаметром 45 мм испытывались на машине типа УМ-4 [61, 107]

Т А Б Л И Ц А 34

ществлялся симметричный цикл нагружения с постоянной амплиту­ дой напряжений.

В процессе испытания на усталость велось наблюдение за возник­ новением и развитием усталостных трещин. При испытании образцов диаметром 45 мм для этой цели использовались пластилиновые реп­ лики, позволявшие фиксировать размер усталостной трещины, не прерывая самого испытания. Для изучения развития разрушения образцов диаметром 8 мм применялся метод последовательного окра­ шивания поверхности образца спиртовым раствором проникающего красителя — родамина. Промежутки времени между окрашивания­ ми определялись в зависимости от уровня напряжения и ожидаемой долговечности. Каждый образец доводился до разрушения. Глуби-

на усталостной трещины измерялась на изломе с помощью микроско­ па при увеличении 16—56 по следам фронта трещины, зафиксирован­ ного красителем.

Результаты наблюдений за развитием усталостных трещин выра­ жались в относительных величинах: глубина трещины /, отнесенная к диаметру опасного сечения образца dt и число циклов N, соответст­ вующее этой глубине, отнесенное к разрушающему числу циклов Afp.

и определялись характеристики основных стадий развития усталост­ ного разрушения. Пример графика разрушения приведен на рис. 24 для гладких образцов из чугуна I при относительном уровне нагру­ жения т/т_1 *= 1,35.

Наблюдения за развитием разрушения проводились для всех материалов и типов образцов при нескольких одинаковых относи­ тельных уровнях нагружения составлявших 1,05; 1,1; 1,25; 1,35 и 1,5. Основные кривые усталости для всех групп образцов приведены на рис. 25.

Чтобы убедиться в безвредности метода окрашивания для сопротивления усталости образцов, применялась проверка несущест­ венности различия долговечности окрашенных и неокрашенных об­ разцов методом рангового анализа [152]. Для этого использовались данные о числе циклов до разрушения неокрашенных образцов из стали и чугуна в зависимости от уровня нагружения [49]. Ряду чисел циклов до разрушения расположенных в порядке

а — гладкие образцы; б — образцы с круговым надрезом; / — 10 —группа образ»

цов.

возрастания, для неокрашенных и окрашенных образцов, испытан­ ных при данном уровне напряжения, присваивался ранговый номер R. Значения R суммировались для двух групп образцов. По табли­ це 1152] оценивалась с заданной доверительной вероятностью Р несущественность различия в долговечности окрашенных и неокра-

нии, как и при изгибе, они могут быть представлены схематично в виде трех прямолинейных участков [17, 50, 109] (см. рис. 12, а), уравнения которых вычисляются методом наименьших квадратов 1114]. Основные характеристики стадий развития разрушения при кручении определяются с помощью этих уравнений, как описано

полученные на гладких образцах (т_ 0 и образцах с круговым надре­ зом (т!!_0 при базе испытания 107 циклов, приведены в табл. 37 и 38. Там же даны величины пределов прочности при растяжении и пре­ делов выносливости при изгибе с вращением.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом значительно лучше сопротивляются усталостному разрушению в условиях пере-

менного кручения, чем сталь 45, имеющая наиболее высокие зна­ чения пределов выносливости при изгибе. При кручении самым выносливым оказывается изотермически закаленный чугун (чугун III). Его предел выносливости при кручении выше, чем при изгибе (T^ I/OL.! = 1,04). Для стали отношение пределов выносли­ вости при кручении и при изгибе составляет 0,67. При наличии концентрации напряжений это отношение возрастает, причем более, интенсивно у,.чугунов.