книги / Структура и усталостное разрушение металлов

п'^0,15 нужно пользоваться с осторожностью. Металл вакуумного переплава имеет более высокие значения <сг'

и г) у при этом долговечность повышается при больших и

малых амплитудах деформирования [14].

Предполагают [8], что коэффициент пластичности при усталости равен или пропорционален пластичности

ным). Для материалов с низкими значениями ЭДУ коэф­ фициент почти не зависит от величины зерна при усло­

вии пропорционального изменения напряжений о/ и оу

[ 8].

ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И УРОВНЯ ПРОЧНОСТИ

НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ УПРОЧНЕНИЯ

ИРАЗУПРОЧНЕНИЯ ПРИ УСТАЛОСТИ

Вработе [3] рассмотрена связь между показателем циклического деформационного упрочнения п' в уравне­ нии (3) и микроструктурой материала. Показано, что наилучшая корреляция существует между п' и механиз­ мом скольжения: высокие значения п' свойственны ма­ териалам с высокими значениями ЭДУ (алюминий, медь, железо, никель, низкоуглеродистые стали), а низ­ кие значения п! с низкими значениями ЭДУ в материа­ лах (магний, титан, а-латунь, нержавеющие стали). Качественно установлено, что высокие значения п' полу­ чаются для микроструктуры, в которой возможно интен­ сивное движение дислокаций, поперечное скольжение и взаимодействие с другими дислокациями, тогда как низ­

кое значение п' связано с ограничением движения дис­ локаций и ограниченным числом систем скольжения. Обычно для конструкций желательны материалы, кото­ рые способны упрочняться в процессе циклического де­ формирования.

Исследования механизма циклического деформирова­ ния показали, что вначале происходит разупрочнение ло­ кальных областей металла с наиболее упрочненной мик­ роструктурой (например, дислокационные сплетения, выделения вторых фаз) в результате многократного воз­ вратно поступательного движения дислокаций. Ясно, что способность упрочненной микроструктуры сопротивлять­ ся циклическому движению дислокаций определяет ее стабильность. По-видимому, наиболее чувствительной к усталостному разупрочнению будет деформационно-уп­ рочненная и дисперсионно-упрочненная микроструктура, особенно если матрица деформируется по механизму волнистого скольжения (например, мартенситно-старею- щие стали [3]).

Склонность металлических материалов к упрочнению или разупрочнению определяется отношением временно­ го сопротивления к условному пределу текучести. Было установлено, что все материалы с ав/ао,г<1,2 разупрочняются при циклическом деформировании, тогда как ма­ териалы, для которых ав/ао,2= 1,4 и выше, циклически упрочняются. При 1/2< сгв/ог0,2< 1,4 может происходить либо упрочнение, либо разупрочнение.

Особенностью поведения при усталости высокопроч­ ных материалов является то, что предел усталости этих материалов в лучшем случае составляет около 50% их условного предела текучести и поэтому напряжения при уровнях долговечности, представляющих практический интерес, находятся еще в номинально упругой области. Такие материалы при циклическом нагружении разупрочняются, а не упрочняются, и их усталостное разруше­ ние начинается у концентраторов напряжений, существу­ ющих в самом материале (например, неметаллические включения) или конструкции, а не у концентраторов, обусловленных специфическим рельефом поверхности, возникшим в результате циклического нагружения. Ра­ бот, посвященных исследованиям фундаментальных ме­ ханизмов усталостного разрушения высокопрочных ма­ териалов, немного, что связано с трудностями наблюде­ ния микроструктурных изменений в процессе усталости.

Методы оптической и электронной микроскопии, которые оказались очень полезными при исследовании усталости чистых металлов, часто неприемлемы для исследования высокопрочных материалов либо из-за сложности струк­ туры и большой плотности частиц выпавшей фазы, мас­ кирующих усталостные изменения структуры; либо по­ тому, что вообще не видно каких-либо изменений, заслу­ живающих внимания. Трудности, возникающие как при экспериментальной, так и при теоретической трактовке явления усталости высокопрочных материалов, заключа­ ются в чрезвычайной локализации явления. Хотя труд­ ности подобного рода свойственны всем материалам, все же чем менее пластичен материал, тем степень локали­ зации больше [9].

.В работах [11, 13] рассмотрены закономерности цик­

стали Н-11 после аусформинга и мартенситно-стареющей стали с 18% Ni (ав = 210 кгс/мм2). Показано, что кривые циклического упрочнения хорошо описываются уравне­ нием (3). У стали SAE 4142 с высокой твердостью (НВ 670 и 560) кривые циклического упрочнения лежат выше кривых статического деформирования. В стали SAE 4142 с наименьшей твердостью (НВ 450) наблюдается циклическое разупрочнение, при этом на кривой стати­

минимумом при твердости « //В 450 и /г«0,04, а пока­ затель циклического деформационного упрочнения п' с возрастанием твердости материала непрерывно понижа­ ется, однако уровень его остается всегда выше уровня п вплоть до я «0,1.

Таким образом, сплавы с я^0,1 стабильны при цик­ лическом нагружении, а между п' и циклической ста­ бильностью удовлетворительной корреляции не наблю­ дается. С позиции рассматриваемого подхода м^0,1 (разупрочнение) означает, что блокировка дислокаций и остаточные напряжения в высокопрочных сплавах приво­ дят к высокому пределу текучести без какого-либо увели­ чения временного сопротивления [3].

Таким образом, построение диаграмм напряжение — деформация для циклически стабильного состояния дает важную информацию об изменении макромеханических свойств материала во время процесса усталости. Предел упругости, определенный по этой диаграмме, возможно, является единственной характеристикой, связанной с пределом усталости. Из-за разупрочнения при цикличес­ ком деформировании циклические диаграммы напряже­ ние— деформация для высокопрочных материалов рас­ полагаются ниже диаграмм, полученных при монотонном нагружении исходного материала. Предполагается, что одной из причин разупрочнения термически обработан­ ных или наклепанных металлов и сплавов в процессе циклического нагружения является эффект Баушингера. Определенный вклад может вносить и нестабильность некоторых металлургических структур при циклическом деформировании [9].

МИКРОСТРУКТУРА И СТАДИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ

Установлено, что скорость распространения усталост­ ной трещины da/dN связана с размахом коэффициента интенсивности напряжений ДК у вершины трещины со­ отношением

где С — постоянная материала, а ш= 2ч-6 в зависимо­ сти от материала и коэффициента симметрии цикла нагружения.

Зависимость для микроскопического роста трешин, вероятно, изменяется в процессе одного цикла нагруже­ ния; разрушение отрывом подчиняется закону /С8, тогда как последующее торможение отрыва пластической де­ формацией может идти в условиях чистого сдвига (К2) или подчиняться закону со степенью, больше 2 (в зави­ симости от способности материала к деформационному упрочнению). В итоге эти микроскопические ступени рас­ пространения трещины дают макроскопическое соотно­ шение с К в степени от 2 до 6 в зависимости от природы микрособытий и связи между ними [9].

Было сделано много попыток вывести соотношение

(9) с использованием моделей роста усталостной трещи­ ны, основанных на тех или иных уже изученных механиз­ мах усталости. С учетом характеристик деформационно­ го упрочнения можно записать [3]:

скорости распространения усталостной трещины в усло­ виях постоянной амплитуды циклического нагружения. Низкая скорость распространения усталостной трещины в условиях постоянной амплитуды деформации будет при низких значениях (К'/ау). Иными словами, можно

утверждать, что для высокого сопротивления цикличес­ ким нагрузкам нужно брать прочный материал, а для хорошего сопротивления циклическим деформациям — пластичный материал. Наиболее интересным параметром в уравнениях (10) и (11) является п' (показатель цик­ лического деформационного упрочнения), который по­ является в показателе степени у амплитуд напряжения и деформации. Значения а’у, К' являются постоянными

и влияние п' на da/dN можно суммировать следующим образом: 1) если п' уменьшается, то da/dN такЖе умень­ шается при испытании с постоянной амплитудой напря­

Таким образом, п' является важным макроскопическим параметром, который может быть использован для конт­ роля как сопротивления распространению усталостной трещины, так и общей долговечности металла. Посколь­ ку значения п! у высокопрочных конструкционных мате­ риалов находятся в довольно узком интервале (0,15+ +0,05), то контроль сопротивления усталости по величи­ не п' очень ограничен.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА УСТАЛОСТИ ПО ДЕФОРМАЦИОННЫМ КРИТЕРИЯМ

Использование деформационных критериев усталостного разру­ шения (например, такого, как предел пропорциональности при цик­

лическом нагружении о}}ц , позволило В. Т. Трощенко [1] пред­

ложить ускоренный метод определения предела усталости.

На рис. 5 приведены результаты сравнения пределов усталости

соответствующими номерами приведены в табл. 2). В этом случае за критериальную величину принимались значения неупругой дефор­ мации, соответствующие стадии стабилизации процесса деформиро­ вания, и подсчитывались действительные значения напряжений для испытаний в условиях неоднородного напряженного состояния. Ве­

2. Материалы, у которых циклические неупругие деформации в указанном диапазоне напряжений существенны (сплавы на основе железа и меди). Последние могут быть разделены на такие под­ группы:

а) материалы, у которых а„ц >сг—i (латунь);

ние методов ускоренного определения пределов усталости металлов, базирующихся на установлении корреляции между пределами вы­ носливости и напряжениями, характеризующими переход от упру­ гого деформирования к неупругому, должно базироваться, с одной стороны, на разработке новых, более чувствительных методов изме­ рения циклических неупругих деформаций, а с другой — на класси­ фикации сплавов по уровню циклических неупругих деформаций, соответствующих пределу выносливости.

ГЛ А В А II

ОС Н О В Н Ы Е

М И К Р О М Е Х А Н И З М Ы Р А З Р У Ш Е Н И Я И С О П Р О Т И В Л Е Н И Е Р А С П Р О С Т Р А Н Е Н И Ю

У С Т А Л О С Т Н О Й Т Р Е Щ И Н Ы

В последнее время в связи с развитием современных методов исследования изломов (просвечивающая и рас­ тровая электронная микроскопия) достигнут значитель­ ный прогресс в изучении микростроения поверхности из­ ломов и понимании основных закономерностей процесса распространения трещин.

Понимание сущности процессов, протекающих при росте усталостной трещины, а также условий формиро­ вания того или иного структурного элемента поверхно­ сти излома открывает перспективу надежной инспекции изломов, разрушившихся деталей машин и элементов конструкций. По-видимому, новый качественный скачок в изучении природы разрушения связан с анализом вли­ яния структуры на микростроение поверхности разру­ шения и микромеханизм разрушения на каждой из ста­ дий роста трещины; зарождения, стабильного роста и долома. Систематические исследования макростроения