книги / Усталость металлов

Наклеп и остаточные напряжения. Такие процессы, как шли­ фование, обработка резанием или полирование, являются при­ чиной наклепа тонкого поверхностного слоя материала и воз­ никновения остаточных напряжений в этом слое. Так как устало­ стные разрушения почти всегда распространяются от поверхно­ сти, наклеп может заметно увеличивать сопротивление усталости,

указанных факторов, так как степень наклепа и величина оста­ точного напряжения, видимо, выше на дне надреза, чем в других местах. Влияние указанных факторов может также быть выше на малых образцах и предположительно этим можно объяснить влияние размера. Однако эксперименты на образцах, с которых было снято остаточное напряжение или электрополированных после обработки, показали, что это не так, хотя эффект размера значительно уменьшился после указанных операций [262, 264].

Нераспространяющиеся трещины. Иногда обнаруживается, что усталостные трещины, развившиеся в вершине очень острых надрезов, достигая определенного размера, дальше не распро­ страняются. Их существование согласуется с теорией элементар­ ного блока Нейбера, так как концентрация напряжения в конце трещины очень высока, но локализована в очень малом объеме. Раз трещина распространяется от зоны высокого напряжения вблизи надреза, то возможно, что, несмотря на наличие трещи­ ны, среднее напряжение перед ней в пределах нужного объема может быть меньше первоначального в вершине надреза.

Нераспространяющиеся усталостные трещины возникают тогда, когда переменное напряжение, необходимое для образо­ вания трещины, меньше напряжения, необходимого для ее рас­ пространения, которое и определяет предел усталости при надрезе. Это явление оказывается, таким образом, еще одним фактором, который должен быть рассмотрен при объяснении чувствительности к надрезу. Исследование значения нераспространяющихся трещин было проведено Фростом в Националь­ ной технической лаборатории [280, 281, 677].

Первые эксперименты связывались со скоростью роста тре­ щин и было четко установлено, что они достигают максималь­ ной длины на ранней стадии испытания и далее не развиваются. Были проведены испытания плоских образцов с очень острыми надрезами, в процессе которых можно было наблюдать развитие трещины. Длина максимального распространения трещины за­ висела от характера надреза и размаха напряжения; наблюда­

лись трещины длиной до 0,5 мм.

Условия, определяющие возникновение и распространение усталостных трещин, характеризуются результатами, получен­ ными при испытании надрезанных образцов из мягкой стали

132

(рис. 74). Все образцы имели надрезы глубиной 0,12 мм, но раз­ личные радиусы в вершине надреза (от 2,3 мм до минимально возможного), чтобы получить диапазон значений а. Напряже­ ние, при котором возникла трещина, находилось в хорошем соответствии с теоретическим значением, полученным делением предела усталости гладкого образца (±26,4 кГ/мм2) на а. Напряжение для распространения трещины, с другой стороны, не

глубиной надреза, так что напря­ жение, требуемое для распространения трещины, можно опреде­

пряжение равно минимальному пределу усталости материала; его зависимость от глубины надреза для материалов, испытан­

надреза показана на рис. 76; этот график может быть исполь­ зован для определения возможности распространения трещины в данных условиях. Можно видеть, что а кри т увеличивается с глубиной надреза и поэтому для геометрически подобных над­ резанных образцов есть критический размер, ниже которого

133

будут иметь место нераспространяющиеся трещины, а выше которого они не существуют. Нераспространяющиеся трещины более вероятны в небольших надрезанных образцах, чем в больших деталях, находящихся в рабочих условиях.

Для значений среднего растягивающего напряжения, при котором трещина остается открытой в течение нагрузочного цикла, размах напряжения в вершине трещины удваивается, и Фрост нашел, что для мягкой стали в этих условиях применимо уравнение (34), если вместо а подставить а/8.

Следует отметить, что хотя усталостные трещины могут счи­ таться нераспространяющимися при лабораторных испытаниях, наличие усталостной трещины в деталях машин в рабочих ус­ ловиях почти всегда является опасным. В рабочих условиях редко сохраняется постоянство амплитуд нагрузок и наличие перегрузок может оказаться достаточным для распространения существующей усталостной трещины и даже может вызвать разрушение [282].

Определение эффективного коэффициента концентрации напряжений

При наличии концентрации напряжения данные испытания на усталость трудно интерпретировать из-за многих факторов, которые влияют на разрушение, особенно из-за влияния разме­ ра образцов. Вместо рассмотрения табличных данных будут рассматриваться в основном эмпирические зависимости, выве­ денные по экспериментальным данным для определения преде­ лов усталости. Значительное количество данных по испытаниям надрезанных образцов приводится Гровером, Гордоном и Джек­ соном [135] и Куном и Хардрасом [283].

134

Наиболее широко использовалась эмпирическая зависимость

различного состава, нанесенная в зависимости от предела проч­ ности при растяжении. Все результаты были получены Помпом и Хемпелем [286] при осевом нагружении гладких и надрезанных образцов одного и того же

с отверстиями и надрезами при осевом растяжении, изгибе и кручении; подобные результаты на­ блюдались другими исследователями, хотя имеются некоторые данные о том, что чувствительность к надрезу может падать при очень высокой прочности на растяжение [99]. Это может быть по­ тому, что сопротивление усталости гладких образцов из высоко-

135

прочных сталей понижается при наличии внутренних концентра­ торов напряжения, особенно включений. Кун и Хардрас [283} ана­ лизировали экспериментальные результаты для различных ста­ лей (исключая аустенитные нержавеющие стали) и определили приблизительную зависимость между А в уравнении Нейбера [уравнение (32)] и пределом прочности на растяжение (рис. 78). Анализ включает результаты, полученные при испытании образ­ цов с поперечно просверленными отверстиями, буртиками и кру­ говыми канавками. (Для образцов с канавками уравнение Ней­ бера было видоизменено с учетом угла (раствора профиля. Закон­ ность этой модификации сомнительна [284], но ее влияние на ре­ зультат не оказалось заметным.) Рассмотренные данные включа­ ют результаты, полученные для больших валов диаметром до 165 мм, предел усталости для них определялся так же точно, как для малых образцов. Дорей и Смидлей [288}, испытывая валы диаметром выше 25 мм, вывели эмпирическую зависимость, ко­ торая дает близкое соответствие с экспериментальными резуль­ татами. Однако эта зависимость не применима к малым и к очень большим валам, кроме того, она не учитывает отношения мини­ мального диаметра вала к максимальному. Ейгерман [664] пока­ зал, что лучшее приближение экспериментальных данных можно получить, относя постоянную Нейбера к пределу текучести, вме­ сто предела прочности при растяжении.

Значения А для четырех значений предела прочности на рас­ тяжение, полученные по кривой, данной Куном и Хардрасом, использовались, чтобы определить зависимость между коэффи­ циентом чувствительности q и радиусом надреза; это показано на рис. 79. Метод был предложен Питерсоном [285]; результи­ рующие кривые подобно кривым, выведенным им по экспери­ ментальным результатам. Из рис. 79 ясно, что для сталей высо­ кой прочности на растяжение рекомендуется при расчете брать коэффициент концентрации а, если надрез не очень острый. Подобный метод рекомендовался также для образцов из низко­ прочных сталей, и если надрез не острый, разброс в результатах, согласно Хейвуду [284], составлял ±20% (без некоторых край­ них значений). Иногда приводимые результаты показывали значения /Са, превышающие а. Это объясняется остаточными растягивающими напряжениями в вершине надреза, возникаю­ щими в результате шлифования надреза, или несоосностью нагружения. Такие результаты можно поэтому отнести к экспе­ риментальной ошибке, но как остаточные растягивающие на­ пряжения, так и несоосность нагружения часто имеют место на

практике.

Результаты, проанализированные Куном и Хардрасом, большей частью были получены на относительно пологих над­ резах, для которых нельзя ожидать нераспространяющейся усталостной трещины, поэтому предложенная ими эмпириче-

136