книги / Усталость металлов

усталости. С другой стороны, устранение коррозионного окруже­ ния на сравнительно ранней стадии испытания не дает значитель­ ного повышения общей долговечности и может понизить ее [409, 665]. Было показано, что это происходит потому, ’что усталостные трещины образовались на ранней стадии и значительная часть долговечности связана с распространением трещины.

Вероятно, совместное действие двух факторов определяет эф­ фект коррозионной усталости. Первый — это образование защит­ ных пленок, которые понижают скорость коррозии при отсутст­ вии напряжения, но непрерывно разрушаются при усталостном нагружении. Второй — это концентрация напряжения, вызывае­ мая коррозионными кавернами, значительно понижающими со­ противление усталости. Действие каждого фактора в отдельности вызывает меньшие повреждения.

Коррозия трения

Если две твердые поверхности в контакте подвергаются цик­ лическому относительному перемещению небольшой амплитуды, то может происходить некоторое повреждение поверхностей, ко­ торое известно как коррозия трения. Наличие коррозии трения обычно определяется по образованию коррозионных продуктов,

ричневый цвет и иногда называется «какао»; в магниевых и алю­ миниевых сплавах мелко раздробленные окисленные частицы имеют черный цвет. Появление окисленных частиц обычно связа­ но с местным выкрашиванием поверхностей в поврежденной об­ ласти и это может существенно снизить сопротивление усталости. Механизм коррозии трения еще полностью не известен, поэтому существует несколько терминов для описания одного и того же процесса, например, окисление трением, окисление от износа, стирание и ложное бринелирование. Процесс представляет собой одну из форм механического износа; этот процесс может проис­ ходить без коррозии, но при одновременном действии коррозии протекает значительно интенсивнее [411].

Коррозия трения наиболее часто наблюдается в местах сое­ динения деталей, которые не имеют относительных перемещений, таких как болтовые или заклепочные соединения, напрессован­ ные детали, но коррозия может возникнуть и на поверхностях, перемещающихся относительно друг друга в результате вибра­ ции, когда детали не работают (например,коррозия трения в под­ шипниках автомобилей, перевозимых по железной дороге).

Трение и его влияние на сопротивление усталости рассмат­ ривалось Тидом [658].

Большинство усталостных разрушений в рабочих условиях зарождалось в областях коррозии трения, и одно из разрушений,

202

давление в местах соединения деталей, но, без сомнения, корро­

зия трения значительно влияет на прочность.

Влияние материала и термической обработки. Чувствитель­ ность различных металлов к коррозии трения обычно оценива­ лась визуальным наблюдением или измерением потери в весе и только в нескольких экспериментах влияние коррозии трения определялось по сопротивлению усталости. Путем визуального наблюдения и определения потери в весе было установлено, что мягкие материалы более чувствительны к коррозии трения, чем твердые, а нержавеющие стали в особенности чувствительны. Мак Даувиль [413], сравнивая свойства большинства сочетаний металлов визуальным наблюдением, приводит результаты, пред­ ставленные в табл. 50. Райт [414], измеряя объем поврежденного материала, исследовал ряд чугунов и показал, что повреждение находится в обратной зависимости от твердости.

Однако сопротивление усталости твердых материалов при коррозии трения обычно понижается в большей степени, чем мягких.^Этот вывод сделан главным образом по результатам ис­ пытаний консольных образцов на изгиб с вращением, проведен­ ных Заксом и Стефаном [415]. Образцы затягивались захватами из закаленной стали с 0,4% С, и коррозия трения происходила под захватами. В этих условиях сопротивление усталости для большинства материалов было выше после отпуска, чем после наклепа или упрочнения старением, а литые материалы оказа­

лись менее чувствительными к коррозии трения, чем кованые (табл. 51).

204

Т а б л и ц а 51

Сопротивление устал ости различны х м еталлов при коррозии трения [415]

У стал остн ы е испытания при и згибе с вращ ен и ем при 3500 ци кл/м и н

Большая чувствительность твердых материалов к коррозии трения может быть результатом их большей чувствительности к концентрации.

Факторы, влияющие на коррозию трения. Одна из характер­ ных особенностей коррозии трения заключается в том, что не­ большая амплитуда (часто, порядка 0,0025 мм) относительного перемещения достаточна для возникновения повреждения кон­ тактирующих поверхностей. Тамплинсоном [416] было показано, что если происходит скольжение, даже в пределах 25-10”6 мм, в результате возникновения коррозии трения, повреждение воз­ растает с увеличением скольжения, но верхний предел повреж­ дения достигается, когда перемещение достаточно для выделе­ ния окисленных частиц. Поверхность повреждается быстрее с увеличением действующей нагрузки или давления. В отличие от коррозионной усталости, в сухих условиях металл в результате

205

коррозии трения повреждается значительно больше, чем во влажных [417]. Повреждаемость увеличивается также по мере понижения температуры. Другие факторы, такие как отделка по­ верхности и частота вибрации, могут быть существенными, но данные по этим вопросам противоречивы. Феннер и Фильд [418] установили, что алюминиевый сплав L65 более чувствителен к усталостному разрушению в результате трения, когда наклады­ вается статическое напряжение. При креплении образца через прокладки из того же материала с давлением 0,4 кГ/мм2 предел усталости (при 20* 106 циклах) снижается с 19,6 ± 13 до 19,6 ±

±2,3 кГ/мм2.

Усталостное разрушение в условиях эксплуатации, ускорен­ ное коррозией трения, встречается в валах с прессовой посадкой деталей. Хорджер [419—421] нашел, что химический состав или термообработка стали мало влияют на сопротивление усталости, но сопротивление усталости можно значительно повысить закал­ кой или поверхностным упрочнением (см. табл. 72). Некоторое повышение сопротивления усталости было получено хромирова­ нием.

Подробное исследование влияния коррозии трения на тита­ новый сплав был проведено Лиу, Хортеном и Синклером [422] при усталостных испытаниях на знакопеременный изгиб на образцах, закрепленных одним концом между прокладками из разных ма­ териалов. Результаты, приведенные в табл. 52, показали, что за ­ жатие между мягкими материалами не вызывало повреждения поверхности образца и мало влияло на предел усталости, но на­ кладки из твердых материалов вызвали коррозию трения и пони­ зили предел усталости в 3—5 раз. Наблюдалось также некоторое понижение ограниченного предела усталости с увеличением кон­ тактного давления, а обдувка дробью и покрытие тефлоном ока­ зали благоприятное действие.

Методы, предупреждающие или понижающие коррозию тре­ ния. Коррозию трения можно предотвратить, устранив скольже­ ние за счет увеличения давления или электропокрытия кадмием, медью, оловом, серебром или золотом, а также введением смаз­ ки или резиновой прокладки между контактирующими поверхно­ стями [423].

Истирание можно также понизить смазкой дисульфидом мо­ либдена и покрытием пластмассами, например политетрафлюорэтиленом или тефлоном.

Полезное влияние дробеструйной обработки и наведения по­ верхностных сжимающих остаточных напряжений термообработ­ кой или поверхностной обкаткой показано в табл. 52 и 72. Виганд [424] показал, что предел усталости стали в условиях кор­ розии трения может заметно возрасти при азотировании.

В некоторых случаях вредное влияние коррозии трения мож­ но понизить изменением конструкции.

206

Т а б л и ц а 52

Сопротивление усталости при коррозии трения титанового сплава RC 130В (4% AI, 4 % Мп), твердость DPN354, о вр = 113 к Г / м м 2, [422]

Механизм коррозии трения. Механизм износа, вызываемый скольжением одной поверхности по другой, в 'настоящее время достаточно хорошо изучен. Две поверхности имеют контакт толь­ ко в небольшом числе выступающих точек поверхности и в этих местах происходит пластическое течение и холодное схватывание. Трение и износ являются результатом разрушения схватывания и образования задиров на выступающих местах поверхностей. На рис. 109 показана начальная стадия повреждения стальной по­ верхности в результате действия коррозии трения (250 циклов). Так как перемещения незначительны, то полученные в процессе выкрашивания изношенные частицы не отделяются, а нагромож­ даются между двумя поверхностями. С помощью измерения элек­ трического сопротивления было показано [412], что контакт ме­ талла по металлу прекращается на ранней стадии, так как после­ дующее повреждение должно быть результатом действия частиц износа, натирающих поверхности.

Г л а в а VIII

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

Д л я большинства металлов усталостное разрушение

может происходить при любой температуре ниже точки плавле­ ния, и характерные особенности усталостных разрушений, обыч­ но сопровождающиеся небольшой деформацией или происходя­ щие без деформации, проявляются в пределах всего диапазона температур.

Результаты усталостных испытаний показали сходственную зависимость долговечности от напряжения при всех температу­ рах, хотя при высоких температурах обычно не наблюдается пре­ дела усталости и наклон кривой усталости обычно больше, чем при нормальной температуре.

При высоких температурах лимитирующим фактором в кон­ струкции является обычно статическая прочность, но сопротив­ ление усталости является важным вопросом в динамически на­ груженных конструкциях, особенно, когда статические и перемен­ ные напряжения сочетаются. Кроме того, многие разрушения в рабочих условиях происходят в результате термической устало­ сти, являющейся (Следствием повторных термических дефор­ маций.

Усталость при низких температурах

Как правило, сопротивление усталости как гладких деталей, так и с надрезами, повышается с понижением температуры. В этом случае можно вести расчет, как для нормальных условий, и быть уверенным, что усталостные разрушения не будут возни­ кать вследствие работы при пониженных температурах.

В табл. 53 сделана попытка обобщить данные по пределам усталости при низких температурах. Большинство результатов получено на базе 106 циклов до разрушения, потому что испыта­ ния при пониженных температурах обычно не продолжаются выше этой долговечности. Отклонение для отдельных сплавов мо­ жет быть значительным, и результаты в таблице показывают только общую тенденцию в усталостном сопротивлении при низ­ ких температурах. Более детальные результаты приведены в табл. 81, дальнейшие данные приводятся Тидом [425]. Из табл. 53

210

цинк представляют исключения из этого -правила: оба металла склонны к хрупкому разрушению, и прочность на растяжение каждого при низких температурах понижается.

Усталость при высоких температурах

При высоких температурах статическая нагрузка вызывает непрерывную деформацию или ползучесть металла, которая мо­ жет в конце концов привести к разрушению, если нагрузка дей­ ствует в течение достаточного времени [428], [680]. Предел дли­ тельной статической прочности (напряжение, которому металл может сопротивляться в течение данного времени без разруше­ ния) с повышением температуры быстро падает до значений, ко­ торые могут быть значительно ниже предела усталости. Следо­ вательно, металлы, работающие при высоких температурах, должны сопротивляться статическим нагрузкам; разработанные жаропрочные сплавы в основном имеют высокую длительную ста­ тическую прочность. Установлено, что сплавы, хорошо сопротив­ ляющиеся ползучести, также хорошо сопротивляются усталости, хотя условия, при которых сплав хорошо сопротивляется ползу­ чести, могут не совпадать с условиями максимального сопротив­ ления усталости.

Зависимость предела усталости от температуры для ряда ма­ териалов показана на рис. 110. Ограниченные пределы усталости

На ограниченный предел усталости алюминиевых сплавов температура влияет незначительно до 100 или 150° С, но при бо­ лее высоких температурах предел усталости падает быстро, при­ чем выше 350° С сплавы обладают низкой прочностью.

Прочность высокопрочных алюминиевых сплавов зависит от дисперсионного упрочнения, и благоприятное влияние его мень­ ше в том случае, когда температура слишком высока для того, чтобы упрочнение продолжалось в процессе работы и происхо­ дит переостаривание. Поэтому лучшее сопротивление усталости и ползучести при высоких температурах имеют сплавы, обладаю­ щие большим сопротивлением переостариванию при рабочей тем­ пературе. Алюминиево-цинко-магниевые сплавы (такие как DTD 683 или американский оплав 75S), термически обрабатывае­ мые при 465° С и прошедшие старение приблизительно при 130° С, меньше сопротивляются высоким температурам, чем алюминие­ во-медные сплавы (такие, как DTD 364 или американский сплав 24S), которые термически обрабатываются при температу­ ре 510° С и стареют при 175° С. Высокотемпературные свойства алюминиево-медных сплавов можно улучшить добавлением