книги / Усталость металлов

та — амплитуда касательного напряжения от кручения, со­ ответствующие сопротивлению усталости при сложном нагруже­ нии. Это уравнение хорошо соответствует экспериментальным результатам при сочетании изгиба и кручения, полученным Гафом [56, 57, 203] для сплошных и полых образцов двенадцати пластичных сталей.

Было, однако, найдено, что экспериментальные результаты для чугуна не соответствуют уравнению эллипса. Отношение т-i/a-i для чугуна обычно находится между значениями, опреде­ ленными критериями максимальных главных напряжения и де­ формации. Гаф нашел, что экспериментальные результаты при сочетании изгиба и кручения для чугуна хорошо соответствуют дуге эллипса, описываемой уравнением

Кокс [204] показал, что сопротивление разрушению материа­ ла, содержащего произвольно расположенные отверстия, долж­ но подчиняться уравнению дуги эллипса и что отношение T _ i / a - i должно лежать между 3/4 и 1, в зависимости от формы отверстий. Свойства чугуна, таким образом, согласуются с теорией, так как графитовые включения влияют подобно отверстиям. Такие же результаты получены на основании критерия максимального главного напряжения или критерия максимального касательного напряжения, потому что максимальное напряжение имеет место на краях отверстий, где два других главных напряжения равны нулю. Наиболее вероятно, что в действительности разрушение чугунов зависит от максимального главного растягивающего на­ пряжения, так как их прочность при сжатии в 5 раз больше проч­ ности на растяжение.

Данные, полученные при испытании пластичной стали, хоро­ шо согласуются с эллиптической зависимостью (21), даже если статические напряжения изгиба или кручения накладываются на переменные напряжения [56]. Эксперименты на образцах с ост­ рыми надрезами для семи пластичных сталей дают результаты, которые соответствуют дуге эллипса, а не четверти эллипса. Дальнейшие испытания образцов из тех же сталей, но с попе­ речным отверстием (диаметр отверстия составлял одну десятую диаметра образца) дали результаты, которые также соответст­ вовали дуге эллипса [205] и хорошо согласовались с анализом Кокса [206]. Средние значения эффективного коэффициента кон­ центрации К а для семи сталей приведены в табл. 19.

На практике, например, в коленчатых валах переменные на­ пряжения изгиба и кручения действуют не в одной фазе. Влия­ ние различия в фазах исследовалось Нишихарой и Кавамото 102

и соответствует значению 1, если процесс подчиняется закону ли­ нейного накопления повреждения. Значения, приведенные в таб­ лицах, большей частью представляют среднее из нескольких ис­ пытаний; если были исследованы несколько цикловых отношений

единицы, когда сначала действует высокое напряжение. Для алю­ миниевых сплавов поведение менее закономерно.

Влияние недогрузок, тренировок и отдыха. Влияние последо­ вательности нагружения на усталостную долговечность стали наиболее заметно при действии переменных напряжений как вы­ ше, так и ниже предела усталости. Уже упоминалось, что пере­ грузки могут вызывать снижение предела усталости. Наоборот, недогрузки, т. е. действие циклического напряжения ниже преде­ ла усталости, могут повышать его.

В практике эксперимента обычно испытывали до разрушения образцы, первоначально нагружением при напряжении ниже пре­ дела усталости. Вскоре было найдено, что образцы, повторно ис­ пытанные при размахе напряжения выше предела усталости, обычно имели большие долговечности и более высокий предел ус­ талости, чем образцы предварительно не нагруженные.

Например, Коммерс[231] показал, что предварительное нагру­ жение в течение 2 -108 циклов при размахе напряжения ниже пре­ дела усталости повышает предел усталости армко-железа на 23% Позднее было установлено, что можно достичь даже большего увеличения предела усталости, если размах напряжения увеличи­ вать на небольшую величину через интервалы в несколько мил­ лионов циклов; такой процесс известен как тренировка.

Например, Гаф [24] показал, что предел усталости мягкой ста­ ли увеличивается приблизительно на 30% при действии на обра­ зец напряжения ниже предела усталости в течение 25-107 циклов и последующем увеличении размаха напряжения на ±0,3 кГ/мм2 за каждые 10®— 18-10® циклов.

Чугун, по-видимому, является наиболее чувствительным мате­ риалом к недогрузкам и тренировкам. Коммерс [231] получил уве­ личение предела усталости при тренировках на 30%; Мур, Лион и Инглис [232] получили увеличение предела усталости при тре­ нировках на 40%.

Из более поздних исследований, однако, известно, что предел усталости различных типов чугуна при тренировках увеличивает­ ся мало или же совсем не увеличивается [233, 234]. Причина этой особенности неизвестна.

Также было найдено, что предел усталости мягких углероди­ стых сталей может возрастать, если в процессе испытания чере­ довать периоды нагружения с периодами отдыха.

Например, Боленрат и Корнелиус [238] показали, что долго­ вечность мягкой стали увеличилась больше чем в 100 раз при пе­ риодах отдыха в 23 ч и интервалах в одну седьмую от исходной долговечности. Предел усталости увеличивается с увеличением времени отдыха; процесс можно значительно ускорить повышени­ ем температуры в периоды отдыха. С другой стороны, периоды отдыха не имеют значительного влияния на усталостную долго­ вечность легированных сталей и сплавов цветных металлов.

Первоначально полагали, что влияние недогрузок и трениро­ вок является результатом упрочнения, но так как Синклер [236] показал, что значительно увеличивается сопротивление усталости только таких металлов, прочность которых возрастает при дефор­ мационном старении, то представляется вероятным считать эф­ фект увеличения сопротивления усталости результатом деформа­ ционного старения [237].

Влияние остаточного напряжения на накопление поврежде­ ний. Из табл. 21 и 22 видно, что результаты испытаний образцов с надрезом отклоняются более существенно от закона линейного накопления повреждения, чем для гладких образцов. Значения накопленного циклового отношения, значительно большие едини­ цы, были получены при испытании образцов с надрезами, особен­ но при пульсирующемрастяжении. Причина этого заключается в том, что высокое напряжение может вызвать пластическую деформацию в вершине надреза, в результате возникает остаточ­ ное напряжение. Если происходит пластическая деформация при растяжении, то остаточное напряжение будет сжимающим, а это повысит сопротивление материала дальнейшему действию растя­ гивающего напряжения. При этих обстоятельствах статическое однократное действие высокой нагрузки может заметно повлиять на сопротивление усталости. Однако было найдено, что увеличе­ ние сопротивления усталости оказывается большим, если высо­ кая нагрузка повторяется периодически. На рис. 61 обобщены результаты испытаний, проведенных Хейвудом [238], иллюстри­ рующие это свойство. Испытания были проведены при пульси­ рующем растяжении на образцах с канавкой или поперечным от­ верстием, а также при знакопеременном изгибе на деталях кры­ льев самолета Метеор. Периодическая высокая нагрузка действо­ вала после каждых 2* 104 циклов вплоть до 5* 105 циклов и затем при менее частых интервалах до разрушения.

Показанная на рис. 61 полоса разброса включает большую часть экспериментальных результатов; было определено, что сни­ жение долговечности является результатом высокой статической сжимающей нагрузки только для образцов с поперечным отвер­ стием.

ПО

Хейвуд высказал два предположения, объясняющие большую эффективность периодического действия высокой нагрузки, чем однократного: во-первых, остаточные напряжения могут умень­ шаться в течение испытания на усталость и, во-вторых, усталост­

тервалами по блокам нагружения, включающим ряд различных амплитуд напряжения, каждая из которых действует определен­ ное число циклов, пропорциональное их распределению в рабочих условиях [657].

При таких испытаниях сначала надо определить спектр на­ грузки в рабочих условиях, т. е. их распределение, величину и ча­ стоту нагрузок, которые встречаются в процессе нормальной ра­ боты детали. Большинство измерений нагрузок в процессе рабо­ ты проводилось на самолетных и автомобильных деталях, и в результате находили частоты, с которыми встречались нагрузки разной величины, получая кривую плотности распределения.

Гасснер [239, 240], например, констатировал, что нагрузка на

автомобильные детали, такие как рычаги управления, шарниры

управления и пружины, а также крылья военных самолетов и ill