книги / Усталость металлов

По мере распространения трещина достигает величины, при которой относительно малая скорость ее распространения, опи­ санная уравнением (35), сменяется нарастающей скоростью рас­ пространения, быстро приводящей к разрушению. Факторы, оп­ ределяющие начало быстрого распространения трещины, еще не установлены.

Имеются опубликованные данные по статическим испытани­ ям, показывающие, что это начало резкого увеличения скорости роста трещины зависит в основном от номинального напряже­ ния по неразрушенной площади листа, а Фрост и Дагдейль [305] показали, что при испытаниях на усталость оно зависит в основ­ ном от максимального значения номинального напряжения по неразрушенной площади атах и в некоторой степени от значения среднего напряжения цикла сгт . Они показали, что для мягкой

Рис. 92. Влияние усталостных трещин на статическую прочность при растя­ жении листовых образцов с надреза­ ми из алюминиевого сплава [307].

сопротивление на разрыв треснувшего об­

цинкомагниевый сплав 7075-Т6 (с надре­

стали быстрый рост трещины начинается, когда аШах становится приблизительно равной авр, но для алюминиево-медного сплава скорость распространения трещины возрастает при атах « ~ 0,5 Овр-

Влияние усталостных трещин на остаточную статическую прочность листов, применяемых в самолетных конструкциях, изучалось довольно подробно [678]. Снижение статической проч­ ности при растяжении листов из алюминиевого сплава является результатом наличия усталостных трещин (рис. 92). Кривые для больших образцов с центральным отверстием располагаются значительно ниже кривых для относительно небольших образцов с краевыми надрезами. Результаты также показали, что наличие трещин меньше влияет на снижение прочности пластичных ме­ таллов, чем твердых. Например, трещина длиной 10—20% диа-

152

Г л а в а VI

ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

Усталостные трещины почти всегда возникают на

наружной поверхности, поэтому качество обработки по­ верхности значительно влияет на сопротивление усталости. Это связано с тем, что поверхности деталей испытывают наибольшие напряжения, особенно при наличии концентраторов; кроме того, поверхность металла ослабляется механической обработкой и хи­ мическим воздействием среды. Поэтому можно достичь значи­ тельного повышения сопротивления усталости деталей машин применением соответствующей обработки поверхности [120, 310, 311, 679].

По существу имеются три пути, по которым обработка поверх­ ности может влиять на сопротивление усталости: во-первых, вли­ янием на механические свойства материала вблизи поверхности, например, при поверхностном наклепе или покрытии; во-вторых, при наведении или снятии остаточных напряжений в поверхност­ ных слоях и в-третьих, при введении или удалении повреждений на поверхности, которые действуют как источник концентрации напряжений.

Остаточные напряжения

Существуют два различных вида остаточных или внутренних напряжений в металлах: микро- и макронапряжения. Микрона­ пряжения возникают из-за разницы в упругих и термических свойствах различных структурных составляющих металлов и из-за анизотропных свойств зерен. Металлургические факторы, которые определяются составом и термообработкой металла, и их влияние на сопротивление усталости рассматриваются в гл. III. Макронапряжения распределяются равномерно в пре­ делах значительно больших площадок и возникают от пластиче­ ской деформации, вызываемой механическими или термическими напряжениями. Влияние поверхностной обработки на сопротив­ ление усталости определяется в большей степени влиянием этих

остаточных напряжений.

Механизм образования остаточных напряжений при действии внешних нагрузок можно легко проиллюстрировать, если рас-

154

Исходные остаточные напряжения в образце вычисляют по этим измерениям (313—316]. Особенно трудно определить распре­ деление остаточных напряжений, если градиент напряжения вы­ сокий, как это часто бывает вблизи поверхности. Преимущество метода рентгеновских лучей в том, что он может быть использо­ ван для определения напряжения в небольшой области, напри­ мер в вершине надреза, и не требует разрушения образца. Опре­ деляется напряжение только в поверхностном слое, которое в ос­ новном влияет на сопротивление усталости. Однако полученные результаты измерения трудно интерпретировать, особенно, если в дальнейшем происходит пластическая деформация.

Если в дальнейшем пластическая деформация происходит в процессе циклического нагружения, то величина остаточных на­ пряжений может постепенно понижаться. Бюлер и Буххольц [317] показали, что это может происходить, даже если действующее максимальное напряжение значительно ниже начального напря­ жения текучести. Эти же авторы указывают, что остаточные на­ пряжения развиваются в процессе усталостных испытаний при изгибе с вращением в стальных образцах вначале ненапряжен­ ных. Сжимающие остаточные напряжения на поверхности, коле­ бавшиеся приблизительно от 9,4 до 25 кГ/мм2 в продольном на­ правлении и от 3,9 до 12,5 кГ/мм2 в тангенциальном, появлялись после испытания при напряжении, близком к пределу усталости. Такие эффекты были обнаружены не только для мягкой стали, но и для углеродистых сталей, для которых предел усталости ниже начального предела текучести.

Розенталь и Сайнис [318] провели серии испытаний на изгиб надрезанных образцов из алюминиево-магниевого сплава как в условиях полной термообработки, так и после отпуска. Остаточ­ ное сжимающее напряжение наводилось в вершине надреза при предварительном нагружении образца растяжением, а ос­ таточное растягивающее напряжение — при предварительном сжатии.

Для термообработанного материала предел усталости увели­ чился примерно на 30%, когда остаточное напряжение в надрезе было сжимающим, и снизился примерно на 30%, когда остаточ­ ное напряжение было растягивающим. Почти весь этот эффект можно отнести за счет остаточных напряжений, потому что вели­ чина наклепа от предварительного нагружения была незначи­ тельной и, кроме того, эффект наклепа не зависит от направления предварительной нагрузки. Для отпущенного материала предва­ рительное нагружение незначительно влияет на предел усталос­ ти, так как в процессе усталостных испытаний остаточные напря­ жения постепенно исчезали.

Подобные эксперименты проводились Дагдейлем [319]; полу­ ченные результаты приведены в табл. 33. Испытывались об­ разцы с круговыми надрезами (а~1,5) и образцы с V-образным

156

Сопротивление усталости образцов с надрезом увеличи­ валось на 80%.

Результаты Розенталя и Сайниса [318], полученные при испы­ тании термообработанных алюминиевых сплавов, и Меттсона и Робертса [322] — при испытании пружинной стали, показали чет­ ко выраженный эффект остаточного напряжения, однако есть доказательство, что для более мягких металлов увеличение со­ противления усталости преимущественно является результатом наклепа, а не остаточного напряжения. Например, Хорджер [266] показал, что предел усталости больших валов из углеродистой стали (0,45%_С) может увеличиться на 40% после обкатки и приблизительно соответствует увеличению предела усталости при повышении поверхностной твердости валов. Испытания на усталость титановых сплавов, подвергнутых разнообразной по­ верхностной обработке, также показывают соответствие между пределом усталости и микротвердостью поверхностных слоев [323]. Поэтому можно сделать вывод, что остаточное напряжение и наклеп могут значительно увеличивать сопротивление усталос­

Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности может также заметно влиять на сопротивление усталости [324] (табл. 34). Пределы усталости для образцов с различной обработкой поверхности приводятся в процентах от прочности полированных или тщательно полиро­ ванных образцов [120]. Предел усталости увеличивается по мере того, как улучшается качество поверхности, и вообще выше, ког­ да направление обработки параллельно направлению действия напряжения. Из таблицы ясно, что влияние шероховатости по­ верхности наиболее выражено для высокопрочных сталей. Это также видно на рис. 94, где показаны результаты испытаний на усталость полированных и грубообработанных образцов из ста­ лей с овр = 31 -г- НО кГ/мм2 [329].

Однако трудно определить, в какой степени данный эффект зависит от концентрации напряжения у поверхностных неровно­ стей, так как при поверхностной обработке возникают наклеп и остаточные напряжения. Это, вероятно, объясняет более низкий

гладкую поверхность первых. При испытаниях на изгиб с враще­ нием образцов из четырех низколегированных сталей Хемпель [330] нашел, что соотношение пределов усталости электрополиро­ ванных и механически полированных образцов составляет 0,92; при подобных испытаниях образцов из восьми легированных ста­ лей было получено среднее отношение 0,83 [331]. Однако оба ис-

158

Т а б л и ц а 34

Влияние поверхностных неровностей на сопротивление усталости

Предел усталости в % от максимального значения и в кГ/мм*

Предел усталости в % от максимального значения и в кГ/ммг

следователя нашли, что если снять остаточные напряжения у механически полированных образцов, то их предел усталости будет соответствовать пределу усталости электрополированных образцов. Таким образом, шероховатость поверхности образ­ цов из этих сталей, очевидно, мало влияла на их пределы уста­ лости.

Зибель и Гейер [327] исследовали влияние шероховатости по­ верхности для ряда сталей и сплавов цветных металлов. Была измерена шероховатость каждого образца и предел усталости каждого из них сравнивался с пределом усталости образца,

160