книги / Усталость металлов

Применение электрических методов имеет два преимущества по сравнению с магнитным методом и методом проникания. Вопервых, можно обнаружить дефекты под поверхностью, во-вто­ рых, испытание можно проводить более быстро (особенно длин­ ных валов, труб или рельсов).

В США разработан оригинальный электромагнитный метод обнаружения трещин в рельсах в рабочих условиях. Сильный по­ стоянный ток пропускается через рельсы, наводя магнитное по­ ле, которое пересекается катушкой-искателем, помещенной меж­ ду рельсами. Наличие трещины изменяет поток, и соответствую­ щий ток наводится в катушке. Аппаратура дает возможность бы­ стро и эффективно обнаруживать трещины как на поверхности, так и под поверхностью [7]. Обнаружение трещин возможно так­ же с помощью переменного тока, когда образец служит сердеч­ ником трансформатора, проводимость которого ослабляется трещиной или другим нарушением сплошности. Может быть так­ же использовано измерение электрического сопротивления; пе­ ременный ток более эффективен для обнаружения поверхност­ ных трещин, а постоянный ток — для трещин, расположенных на некотором расстоянии от поверхности.

Обнаружение трещин ультразвуком связано с изменением пе­ редачи или отражения упругих волн в металле, возбужденных пьезокварцевым датчиком или магнитостриктором. При испыта­ ниях путем передачи колебаний ультразвуковой луч излучается датчиком, присоединенным к одной стороне исследуемой детали, и принимается вторым датчиком с'другой стороны детали. Если луч пересечет трещину или пустоту, некоторая часть его энергии потеряется при отражении и рассеивании, что и будет зафикси­ ровано приемником. При испытании отражением датчик посыла­ ет короткие высокочастотные импульсы, которые отражаются от противоположной поверхности исследуемой детали, а также от любой трещины или пустоты в материале. Отраженный импульс принимается либо тем же датчиком, либо специальным датчи­ ком-приемником и направляется на катодно-лучевой осцилло­ граф. Расшифровка принятых сигналов вызывает известные трудности, но при некотором опыте работы и повторении испы­ таний при различных положениях датчика можно обнаружить небольшие усталостные трещины и определить их расположе­ ние. Кроме того, аппаратура может быть портативной, а толщи­ на испытуемой детали не ограничивается [8].

В другом методе используются ультразвуковые поверхност­ ные волны; этот метод применяется для обнаружения усталост­ ных трещин в деталях сложной формы. С помощью этого метода усталостные трещины можно обнаружить, например, в турбин­ ных лопатках без их демонтажа.

Рентгеновские лучи широко используются для обнаружения дефектов, но недостаточно чувствительны для надежного обнару-

12

максимальным и минимальным напряжением цикла, атах и ffminАлгебраическое отношение a min/ffmax называется коэффициентом асимметрии цикла R.

Если условия нагружения таковы, что напряжение в образце распределяется неравномерно, то результаты обычно представ-

б

ляются в номинальном напряжении аНОлс, которое вычисляется методами сопротивления материалов, причем изменение напря­ женного состояния, вызванное особенностями формы (отверстия, бурты, пазы), не учитывается.

Ограниченный предел усталости и предел усталости

Обычный способ определения сопротивления усталости за­ ключается в разрушении ряда одинаковых образцов под дейст­ вием напряжений данной амплитуды и симметрии цикла; в ре­ зультате получают зависимость между переменным напряжени­ ем оа и числом циклов до разрушения N.

Типичные кривые напряжение — долговечность (аа — N) по­ казаны на рис. 6; число циклов обычно наносится в логарифми­ ческом масштабе, так как значение его может меняться от не­ скольких тысяч до многих миллионов. Напряжение можно тоже наносить в логарифмическом масштабе, и если использовать двойную логарифмическую шкалу, то результаты часто ложатся на прямую линию, особенно если включаются данные при очень больших долговечностях.

Характерной особеностью результатов испытаний на уста­ лость является их разброс (рис. 6). Некоторый разброс возни-1 кает из-за ошибок эксперимента, таких как искривление образ­ ца или неточность определения размаха напряжения, но очевид-

16

Для ряда материалов разрушения редко происходят при чис­ ле циклов больше миллиона, даже если усталостное испытание продолжать до 108 или 109 циклов. Диаграмма а — N тогда про­ водится, как наклонная линия через данные для разрушившихся образцов и горизонтальная линии, ниже которой образцы не разрушились. Напряжение, при котором кривая становится го­ ризонтальной, считается пределом усталости или пределом вы­ носливости. На рис. 7 показана кривая а — N для материала с пределом усталости около 30,6 кГ/мм2. К металлам, которые име­

ют выраженный предел усталости, относятся ли­ тое и кованое железо, ста­ ли малой и средней проч­ ности, нержавеющие ста­ ли, алюминиево-магние­ вые и некоторые титано­ вые сплавы. Существует представление о том, что выраженный предел уста­ лости характерен для весьма многих материа­ лов, однако большинство металлов и вероятно все неметаллы предела уста­ лости не имеют. Это вы­ яснилось в последнее вре­

1 — предел усталости мя потому, что большинст­ во ранних исследований и

многие более поздние про­ водились на сталях. В результате широко используется термин предел усталости, который следовало применять только для ме­ таллов, кривые о — N которых становились горизонтальными.

Наличие предела усталости можно объяснить, если полагать, что постепенные упрочняющие изменения в структуре, происхо­ дящие от циклического напряжения, уравновешивают повреж­ дающий эффект напряжения. Полагают, что в чугуне и стали мо­ жет происходить деформационное старение; этот вопрос разби­ рается в гл. XI.

Иногда, особенно если испытываются крупные детали, испы­ тания начинают с низкой амплитуды напряжений и, в случае отсутствия разрушения при заданном числе циклов, повышают амплитуду и продолжают испытания; этот процесс повторяют до разрушения образца. Метод имеет преимущество в том, что эко­ номит образцы, но результат следует всегда проверять другим испытанием при высоком напряжении на предварительно ненагруженном образце, потому что некоторые металлы, особенно уг-

18

Разгружение после сжатия характеризуется линией E F , па­ раллельной линии упругого нагружения, а повторному нагруже­ нию растяжением соответствует кривая FG.

Если напряжение изменяется между равными растяжением и сжатием, деформация растяжения большей частью будет пога­ шаться деформацией сжатия, и после нескольких циклов напря­ жения получится замкнутая петля, как показано на рис. 8, б. Наличие петли является результатом отставания напряжения и поэтому она называется петлей гистерезиса. Размах деформации в течение цикла равняется сумме упругой и пластической дефор­ маций. При условии, что линии разгрузки CD и EF параллель-

Рис. 9. Изменение пластической деформации за цикл в процессе усталостного испытания [14]. В скобках указано число циклов при котором произошло разрушение:

ны линии упругого напряжения, ширина петли гистерезиса FD равняется амплитуде пластической деформации.

В процессе усталостного испытания при постоянной амплитуде напряжения величина пластической деформации за каждый цикл может меняться (рис. 9). Величина пластической деформации заметно зависит от напряжения, и если построить зависимость переменного напряжения от переменной деформации, то можно получить динамическую кривую напряжение — деформация. Та­ кие кривые показаны на рис. 10; они получены путем нанесения переменного напряжения в зависимости от среднего значения пе­ ременной деформации в процессе испытания на усталость. На каждой из кривых показано значение переменного напряжения, соответствующее разрушению при 105, 106 и 107 циклах. Некото­ рые металлы, особенно малоуглеродистая и аустенитная стали, дают значительную пластическую деформацию в каждом цикле, даже при напряжении ниже их пределов усталости, в то время как для других материалов, например высокопрочных легирован-

20