книги / Усталость металлов

рис. 81, а для листовых образцов из стали и цветных металлов и сплавов — на рис. 82 и 83. Испытания листовых образцов (рис. 82) проводились при знакопеременном напряжении, по­ этому для предотвращения выпучивания применялись направ-

&-1

ляющие плиты; результаты, показанные на рис. 83, проводились при пульсирующем растяжении.

Влияние среднего напряжения цикла на сопротивление уста­ лости образцов с надрезом. Сопротивление усталости деталей с надрезами при действии напряжений с асимметричным циклом можно представить диаграммой оа — а™, подобной диаграмме, используемой для гладких образцов (см. рис. 48). На рис. 84 по данным Смита [1891 показано влияние средних растягивающего и сжимающего напряжений цикла на предел усталости при осе­ вом нагружении. Большинство результатов получено при испы­ тании стальных образцов с надрезами, черной поверхностью после литья и образцов, подвергнутых коррозионной усталости. Их сопротивление подобно сопротивлению образцов без над-

142

резов; под действием пульсирующего растяжения линия Гудмана, проведенная через предел усталости при симметричном цикле надрезанных образцов (ордината) и через предел прочности на растяжение (абсцисс), дает оценку предела усталости при нагружении асимметричным циклом для большинства результатов, в то время как среднее сжимающее напряжение увеличивает предельную амплитуду усталостного разрушения. Влияние статического кручения на сопротивление усталости при кручении показано на рис. 85. Статическое кручение снижает сопротивление усталости и большинство результатов ложится

Рис. 84 Безразмерная диаграмма R — М для надрезанных образцов из плас­ тичных металлов [189].

близко к линии Гудмана, соединяющей предел усталости при симметричном цикле надрезанных образцов с пределом проч­ ности при статическом кручении.

Применение при расчете линии Гудмана, проведенной от предела усталости при симметричном цикле, деленного на а, к точке, соответствующей пределу прочности на растяжение (или кручение), подтверждается экспериментальными результатами для большинства материалов. Однако применение этой линии может привести к ненадежному определению предела усталости при асимметричном цикле нагружения образцов с надрезом из сплавов с высоким отношением предела текучести к пределу прочности при растяжении. Для этих материалов усталостные разрушения могут происходить при напряжениях в вершине надреза ниже предела текучести; в этих случаях как среднее

144

напряжение цикла, так и переменное напряжение, которым ма­ териал может сопротивляться, будут снижаться при наличии надреза.

Ганн [300] описал метод, по которому можно построить диаграмму оа — ат для образцов с надрезами из этих материа­ лов с помощью кривой напряжение — деформация, и показал, что это дает более надежные результаты, чем линия Гудмана.

Упрощенный метод, описанный Ганном, для графического построения диаграммы са — От Для надрезанных образцов, по-

г-/

W 0}6

О,*

0,2

ным 31 кГ/мм2. На диаграмме проводят штриховые линии, огра­ ничивающие области, в которых не превышается ат. Первую часть диаграммы оа — от для надрезанных образцов (линия АВ) проводят по кривой для гладких образцов, уменьшая как ампли­ туду напряжения, так и среднее напряжение цикла на коэффи­ циент концентрации а образцов; здесь он принимается равным 3. Точка возникновения пластических деформаций В получается пе­ ресечением кривой оа — от и штриховой прямой, соответствующей значению предела текучести у/а. Затем предполагается, что из-за текучести среднее напряжение в надрезе не увеличивается с дальнейшим ростом статической нагрузки, так что вычисленная диаграмма наносится как линия АВС.

Штриховая кривая получается расчетом напряжений по кри­ вой деформирования и очевидно, что упрощенный метод по­ строения кривой АВС достаточно точен для практических целей.

На рис. 87 и 88 построения Ганна сравниваются с некото­ рыми экспериментальными результатами, приведенными Грове­ ром, Бишоном и Джексоном [301] для листовых надрезанных образцов из алюминиевых сплавов 24S-T3 и 75S-T6. Пределы текучести, использованные для построения, приведены авторами и соответствуют, видимо, 0,2% остаточной деформации. Как видно, для обоих материалов построение хорошо согласуется с экспериментальными результатами, особенно для низких сред­ них напряжений цикла. Построение дает оценку в запас надеж-

предполагается полная эффективность концентрации напряжений и не предусматривается учет влияния размера и других факто­ ров, которые могут понижать полную чувствительность к надрезу. Большее соответствие с экспериментальными результатами по­ лучается при построении диаграммы на основе предела устало­ сти при симметричном цикле для надрезанных образцов; такое построение показано на рис. 87 для а = 2.

Однако эта методика не рекомендуется, если требуются рас­ четные данные для натурных деталей. Следует отметить, что линия Гудмана дает преувеличенное сопротивление усталости для многих результатов на рис. 87 и 88.

Из построения Ганна очевидно, что более высоким пределом усталости при пульсирующем нагружении будет обладать ма-

146

териал с низким отношением предела текучести к пределу прочности при растяжении. Это подтверждается сравнением результатов для двух сплавов. Отношения предела текучести к пределу прочности при растяжении составляют 0,74 для сплава 24S-T3 и 0,92 для сплава 75S-T6; несмотря на более высокий предел прочности при растяжении и предел усталости гладких образцов последнего сплава, первый имел более высокое сопро­ тивление усталости надрезанных образцов при высоких средних напряжениях цикла.

Некоторое затруднение может возникнуть при определении эффективного коэффициента концентрации Ко при асиммет­ ричном цикле.

Руководство по испытаниям на усталость [39] дает следующие два варианта определения:

1) отношение между амплитудой напряжения для гладких полированных образцов и амплитудой напряжения образцов с надрезом при одном и том же номинальном значении среднего напряжения цикла и одном и том же значении N\

2) отношение между максимальным напряжением цикла для полированных гладких образцов и максимальным напряжением цикла для образцов с надрезом при одних и тех же значениях R (отношение минимального напряжения цикла к максимальному напряжению) и N.

Первое определение основывается на предположении, что наличие надреза влияет только на амплитуду напряжения и не влияет на среднее напряжение. Значения Ко, определенные этим путем могут превышать а (см., например, рис. 88). Второе опре­ деление основывается на предположении, что надрез влияет как на среднее, так и на амплитуду напряжений. Значения Ко, вы­ численные этим путем, ниже значений по первому определению и обычно не превышают а.

Распространение усталостной трещины

Не всегда можно обеспечить такой уровень переменных 'на­ пряжений, действующих на детали так, чтобы усталостные тре­ щины никогда не появлялись. Поэтому необходимо периоди­ чески проводить контрольный осмотр работающих деталей, что­ бы усталостные трещины, развиваясь, не вызывали полного раз­ рушения. В этих случаях необходимо знать скорость распростра­ нения усталостных трещин. Однако скорость распространения трещины зависит от материала, наличия концентрации напряже­ ния и условий нагружения, поэтому ответить на этот вопрос труд­ но. На основе малого числа исследований можно лишь характе­ ризовать влияние упомянутых факторов.

Рассмотрим, на какой стадии работы под переменным на­ пряжением в детали появляется усталостная трещина.

10*