книги / Усталость металлов

магния и никеля, как в сплаве Y. Алюминиево-кремниевые спла­ вы также имеют относительно хорошие механические свойства при высоких температурах. Для температур выше 300° С, однако, лучшие показатели по жаропрочности и ограниченному пределу усталости имеет порошковый материал SAP. Этот материал из­ готовляется методами порошковой металлургии из частиц алю­ миния, покрытых окисью алюминия; прочность его зависит от не­ растворимых частиц, остающихся устойчивыми вплоть до точки плавления. Сопротивление усталости литых алюминиевых спла-

Рис. 110. Влияние температуры на предел усталости металлов.

вов значительно ниже, чем штампуемых при нормальной темпе­ ратуре, но разница эта уменьшается с ростом температуры.

Свойства магниевых сплавов при высоких температурах по­ добны свойствам алюминиевых сплавов; перебстаривание, про­ исходящее в процессе работы, может в результате понизить со­ противление усталости и длительную статическую прочность. Высокопрочные магниево-алюминиево-цинковые сплавы быстро теряют прочность с повышением температуры и оказывают мень­ шее сопротивление как усталости, так и статическому разруше­ нию при температуре выше 200° С, чем магниево-марганцевые сплавы. Значительное улучшение свойств при высоких температу­ рах можно получить добавлением циркония, церия или тория. Предел усталости литых магниевых сплавов при всех температу­ рах ниже, чем сплавы в состоянии поставки, хотя длительная ста-

212

ву при выпадении карбидов титана. Прочность при повышении тем­ пературы прогрессивно возрастает у нимоника 80 и 80А (20% Сг Ti, А1), нимоника 90 (20% Сг, 18% Co,Ti,Al,Mo) [429]. Сплавы на основе кобальта трудно куются и чаще используются в Отливках. Сплавы, применяемые при очень высоких температурах, созда­ ются на основе хрома, молибдена, вольфрама или ниобия или на базе керамических материалов или смесей керамики и Металлов, известных под названием керметы.

Сравнение пределов усталости при высоких температурах с другими механическими свойствами показало, что, как при ком­ натной температуре, предел усталости довольно тесно связан с пределом |Прочности при растяжении до тех пор, пока прочно­ сти при растяжении не начинает заметно сказываться ползучесть. Например, по имеющимся данным для деформируемых алюми­ ниевых сплавов коэффициент выносливости почти не зависит от температуры до 250° С; для разрушения на базе 107 циклов сред­ нее значение его составляет около 0,35, а на базе 108 Циклов — около 0,25. Выше 300° С коэффициент выносливости быстро воз­ растает, приближаясь к единице при 450° С.

Хотя отношение ограниченного предела усталости к пределу длительной статической прочности заметно зависит от темпера­ туры, для некоторых металлов получена весьма устойчивая зави­ симость между этими характеристиками. Это обнаруживается на графике зависимости ограниченного предела усталости от дли­ тельной статической прочности для одного и того же времени и при одной и той же температуре [430]. На рис. 111 показана такая зависимость для серии сплавов при температурах 700—980° С и времени до разрушения 100, 300 и 1000 ч. Установленная зависи­ мость достаточно хороша для большинства этих сплавов и поз­ воляет определять ограниченный предел усталости по более об­ ширным данным о длительной статической прочности.

Влияние микроструктуры. Прочность при высоких темпера­ турах часто можно повысить дисперсионным твердением, которое достигается обработкой твердого раствора при довольно высокой температуре для растворения упрочняющего элемента, закалкой

иповторным нагревом или старением при температуре выделе­ ния упрочняющего элемента в тонкодисперсном виде. Как обра­ ботка твердого раствора, так и старение существенно влияют на механические свойства при высокой температуре.

Обработка твердого раствора имеет важное значение, пото­ му что она влияет на размер зерна. При средних температурах

имелком зерне сопротивление ползучести выше, чем при зерне крупного размера, но это меняется при высоких температурах, потому что разрушение происходит по границам зерен, а не по зернам. Подобным образом размер зерна влияет на ограничен­ ный предел усталости, но переход от внутризеренного к межзеренному разрушению происходит при значительно более высокой

214

температуре, чем для длительного статического разрушения [431, 432].

Следовательно, есть области температур, когда крупный раз­ мер зерна дает более высокую длительную статическую проч­ ность, но более низкий ограниченный предел усталости. В этих случаях может быть выгодным менять термообработку, чтобы обеспечить соответствие прочности напряженному 'состоянию.

Сопротивление усталости отливок при высоких температурах почти всегда ниже, чем у деформируемых сплавов аналогичного состава. В этом отноше- $ нии сопротивление уста­ лости отличается от дли­ тельной статической проч­ ности, которая при весь­ ма высоких температурах для отливок обычно вы­ ше, чем для поковок. Од­ ной из причин этого яв­ ляется больший размер зерна в литых материа­ лах, и если предусмотреть получение отливок с мел­ ким зерном, то сопротив­ ление усталости улуч­ шится. Недостатком ли­ тых материалов является непостоянство механиче­ ских свойств, что наибо­ лее заметно по характери­ стикам усталости. Харрис и Чайльд [433], например,

исследовали литой сплав на основе кобальта Q34 при 750° С и об­ наружили отклонения длительной статической прочности прибли­ зительно на ±15% и ограниченного предела усталости на ±30% .

Влияние коррозии. Существенным требованием для сплавов, работающих при высоких температурах, является высокое сопро­ тивление окислению; обычно полагают, что жаропрочные сплавы имеют также высокое сопротивление коррозионной усталости. Большинство исследований коррозионной усталости при высоких температурах было связано с влиянием корродирующих состав­ ляющих в топливе двигателя. Например, было показано, что ограниченный предел усталости нимоника 80 при 800° С не сни­

разрушение клапанов и клапанных седел солями свинца, содер­ жащимися в топливе. В этих случаях сопротивление усталости

215

клапанов из аустенитной стали можно улучшить покрытием ма­

териалом на никелевой основе [47].

Усталость при действии переменных напряжений с асиммет­ ричным циклом. При высоких температурах переменное и стати­ ческое напряжения, которым 'может сопротивляться металл без разрушения, понижаются по мере увеличения времени действия напряжения. Зависимость прочности при статическом напряже­ нии от времени представляется в виде кривой напряжение — долговечность так же, как зависимость между ограниченным пре­

что можно непосредственно сравнить ограниченный предел уста­ лости с длительной статической прочностью; каждая кривая со­ ответствует своему значению коэффициента асимметрии Д.

Кривые на рис. 112 также имеют более крутой наклон при высоких температурах и, кроме того, он становится круче при больших долговечностях. Такие кривые не могут экстраполиро­ ваться уверенно к большим долговечностям. Поэтому для опре­ деления характеристик материала в условиях продолжи­ тельной работы испытания при высоких температурах, осо­ бенно испытания на статическую прочность, должны быть длительными.

Как при нормальной, так и при высокой температуре, огра­ ниченный предел усталости металла при действии напряжений с асимметричным циклом может быть выражен графиком зави­ симости амплитуды напряжения от статического напряжения. Каждая точка на кривой представляет сочетание статического и переменного напряжений, причем изменения колеблются от огра­ ниченного предела усталости при симметричном цикле до преде-

216

ла длительной статической прочности за данное время. Это пока­ зано на рис. 113 для нимоника 80А, где кривые нанесены для раз­ ных долговечностей.

Для сравнения свойств различных материалов при разных температурах более удобно наносить отношение предельной ам­ плитуды напряжения к пределу усталости при симметричном цик­ ле в зависимости от отношения среднего напряжения цикла к длительной статической прочности; каждая кривая должна пересекать оси при значениях, равных единице. Этот метод нане-

вов. Как следует из данных, действие напряжения с симметрич­ ным циклом и амплитудой, составляющей до 40% от среднего напряжения цикла, слабо сказывается на сопротивлении дли­ тельному статическому разрушению, а в некоторых случаях мо­ жет даже его повысить. Такое повышение наблюдалось для ряда жаропрочных сплавов, но причина этого неясна. Предполагали, что переменное напряжение ускоряет структурные изменения в сплаве, в результате чего повышается твердость, или что внутрикристаллические сдвиги, вызываемые переменным напря­ жением, ослабляют концентрацию напряжения по границам зерен.

На рис. 114 можно видеть, что модифицированный закон Гуд­ мэна и парабола Гербера, проведенная от ограниченного предела усталости при напряжении с симметричным циклом до длитель­ ной статической прочности, дают заниженную оценку прочности

217

при сочетании статического и переменного напряжений; можно видеть, что дуга окружности на безразмерной диаграмме больше соответствует данным эксперимента [434]. Такая крива** стано­ вится эллипсом на диаграмме амплитуда напряжения — статиче­ ское напряжение. Другая эмпирическая зависимость описывается модифицированной линией Гудмана, т. е. прямой, проведенной между пределом усталости при переменном напряжении с сим­ метричным циклом, и статической прочностью при растяжении, за исключением области, в которой статическое напряжение пре­ вышает длительную статическую прочность. Эта зависимость не

Рис. 115. Влияние температуры на зависимость ам­ плитуды напряжения — статическое напряжение для деформируемого сплава N155 при долговечности 500 ч [185]:

1 — овр при 815° С; 2 — овр при 732° С; 3 — овр при 538° С; 4 — о вр при 24° С

может быть представлена на безразмерной диаграмме, но она по­ казана на диаграмме амплитуда напряжения — статическое напряжение на рис. 115, где даны результаты исследований спла­ ва N-155 [185]. Такую зависимость нельзя использовать для впол­ не достоверных определений ограниченных пределов усталости при нагружении с асимметричным циклом, но при высоких тем­ пературах она дает лучшие результаты, чем дуга окружности; кроме того, этой зависимостью хорошо оцениваются ограничен­ ные пределы усталости при умеренных температурах. Эти ре­ зультаты свидетельствуют об отсутствии взаимодействия между процессами длительного статического и усталостного разру­ шений.

Внешний вид разрушения от действия переменных напряже­ ний при высоких температурах напоминает вид разрушения от действия длительной статической нагрузки. Как следовало ожи­ дать, величина деформации в области разрушения понижается по мере того, как возрастает отношение переменного напряже­ ния цикла к среднему.

Не всегда достаточно ограничить переменное напряжение, чтобы предотвратить разрушение, в некоторых случаях необхо-

218

На металлы с низкой точкой плавления (такие, как свинец) частота влияет так же, как на другие металлы при повышенных температурах. Экель [438] нашел, что для свинца влияние часто­ ты на предел усталости можно выразить таким уравнением:

Рис. 117. Влияние частоты на предел усталости при изгибе свинца и его сплавов при 29° С [440]

Сплошные линии — 1650 цикл!мин\ штриховые — 0,25 цикл/мин; 1 — чистый свинец; 2 — сплав (1% антимония); 3 — сплав (0,028*/о каль­ ция)

ние происходит после определенного времени при всех частотах, то т = 0. Обычно считают, что т = 0 4-1. Результаты Экеля, полученные для свинца при температуре 43° С и при частотах около 5 цикл/мин и 0,25 цикл/ч, показали, что т = 0,7, а по дан­ ным Мура и Деллинса [439] для свинца при 23° С и при частотах от 248 до 1 цикл/мин т = 0,55. Некоторые результаты, получен­ ные Ганом и Эллисом [440] для свинца и свинцовых сплавов, показаны на рис. 117; здесь значение т зависит от размаха де­ формации и изменяется от 0,4 до 0,8. Подобные результаты при­ водятся Мак-Коуном [440]. Для частот ниже 0,1 цикл/мин Ган нашел, что число циклов до разрушения было приблизительно постоянным для данного размаха деформации.

Испытания на усталость углеродистой стали с 0,17% С пока­ зали, что предел усталости зависит от времени до разрушения

220